Guía didáctica para
Física II
Guía didáctica para
Dirección y realización del proyecto LCC. Gabriel Barragán Casares Director General del Colegio de Bachilleres del Estado de Yucatán
Planeación y coordinación Lic. Alejandro Salazar Ortega Director Académico
Metodología y estrategia didáctica Lic. Lorenzo Escalante Pérez Jefe del Departamento de Servicios Académicos
Coordinación del Programa de Acción Tutorial Q.F.B. Álvaro Santiago Espinosa Ojeda
Colaboradores Lic. José Miguel Flores Sabido Q.F.B. Diego de Jesús Aguilar Castillo
Física II
LA REFORMA INTEGRAL DE LA EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR La Educación Media Superior (EMS) en México enfrenta desafíos que podrán ser DWHQGLGRVVyORVLHVWHQLYHOHGXFDWLYRVHGHVDUUROODFRQXQDLGHQWLGDGGHÀQLGDTXH permita a sus distintos actores avanzar ordenadamente hacia los objetivos propuestos. Es importante saber que la EMS en el país está compuesta por una serie de subsistemas que operan de manera independiente, sin correspondencia a un SDQRUDPDJHQHUDODUWLFXODGR\VLQTXHH[LVWDVXÀFLHQWHFRPXQLFDFLyQHQWUHHOORV El reto es encontrar los objetivos comunes de esos subsistemas para potenciar sus alcances y de esta manera lograr entre todos reglas claras de operación. Es importante para el desarrollo de la EMS, que ustedes docentes y estudiantes conozcan los ejes que la regulan, cómo opera y los retos que enfrenta en la actualidad para asumir a partir de dicho conocimiento una actitud diferente que nos permita coadyuvar en este esfuerzo. Los diferentes subsistemas de la EMS han realizado cambios en sus esWUXFWXUDVORVFXDOHVSUHWHQGLHURQGDUODSHUWLQHQFLDHÀFDFLD\FDOLGDGQHFHVDULDV para que la población a la que atiende (jóvenes entre los 15 y 21 años aproximadamente) adquiriera conocimientos y habilidades que les permitan desarrollarse de manera satisfactoria, ya sea en sus estudios superiores o en el trabajo y, de manera más general, en la vida. En esta misma línea, no se debe perder de vista el contexto social de la EMS: de ella egresan individuos en edad de ejercer sus derechos y obligaciones como ciudadanos, y como tales deben reunir, en adición a ORVFRQRFLPLHQWRV\KDELOLGDGHVTXHGHÀQLUiQVXGHVDUUROORSHUVRQDOXQDVHULHGH actitudes y valores que tengan un impacto positivo en su comunidad y en el país en su conjunto. Es en este contexto que las autoridades educativas del país, han propuesto la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS), cuyos objetivos consisten en dar identidad, calidad, equidad y pertinencia a la EMS, a través de mecanismos que permitan articular los diferentes actores de la misma en un Sistema Nacional de Bachillerato dentro del cual se pueda garantizar además de lo anterior, tránsito de estudiantes, intercambio de experiencias de aprendizaje y la FHUWLÀFDFLyQGHORVPLVPRV Lo anterior será posible a partir del denominado Marco Curricular Común (MCC) de la RIEMS, el cual se desarrolla considerando el modelo de competencias, y que incluye: Competencias Genéricas, Competencias Disciplinares (básicas y extendidas) y Competencias Profesionales (básicas y extendidas). Esta estructura permite observar de manera clara, los componentes comunes entre los diversos subsistemas, así como aquellos que son propios de cada uno y que por consiguiente, los hace distintos. Lo anterior muestra cómo la RIEMS respeta la diversidad del nivel educativo del país, pero hace posible el Sistema Nacional del Bachillerato, conformado por las distintas instituciones y subsistemas que operan en nuestro país. Bachillerato Universitario
Bachillerato General
Bachilleratos Tecnológicos
Competencia Genéricas Competencias Disciplinares Básicas Competencias Profesionales Básicas Competencias Profesionales Extendidas
Una competencia es la integración de habilidades, conocimientos y actiWXGHVHQXQFRQWH[WRHVSHFtÀFR(VWDHVWUXFWXUDUHRUGHQD\HQULTXHFHORVSODQHV y programas de estudio existentes y se adapta a sus objetivos; no busca reempla]DUORVVLQRFRPSOHPHQWDUORV\HVSHFLÀFDUORV'HÀQHHVWiQGDUHVFRPSDUWLGRVTXH KDFHQPiVÁH[LEOH\SHUWLQHQWHHOFXUUtFXORGHOD(06 Nuestro subsistema pertenece al conjunto de los que ofrecen bachilleUDWRJHQHUDOHOFXDOHQODGHÀQLFLyQGHO0&&GHODUHIRUPDLQWHJUDOGHEHUiGHsarrollar en los estudiantes capacidades que les permitan adquirir competencias genéricas, competencias disciplinares básicas y extendidas, además de competencias profesionales básicas. Las competencias genéricas son las que todos los bachilleres deben estar en capacidad de desempeñar; las que les permiten comprender el mundo H LQÁXLU HQ pO OHV FDSDFLWDQ SDUD FRQWLQXDU DSUHQGLHQGR GH IRUPD DXWyQRPD a lo largo de sus vidas, y para desarrollar relaciones armónicas con quienes les URGHDQDVtFRPRSDUWLFLSDUHÀFD]PHQWHHQORViPELWRVVRFLDOSURIHVLRQDO\SROtWLFR 'DGD VX LPSRUWDQFLD GLFKDV FRPSHWHQFLDV VH LGHQWLÀFDQ WDPELpQ FRPR FRPSHWHQFLDVFODYH\FRQVWLWX\HQHOSHUÀOGHOHJUHVDGRGHO6LVWHPD1DFLRQDOGH Bachillerato. A continuación se listan las once competencias genéricas, agrupadas en sus categorías correspondientes: Se autodetermina y cuida de sí 1— Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 2— Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 3— Elige y practica estilos de vida saludables. Se expresa y comunica 4— Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 3LHQVDFUtWLFD\UHÁH[LYDPHQWH 5— Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 6— Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia geQHUDOFRQVLGHUDQGRRWURVSXQWRVGHYLVWDGHPDQHUDFUtWLFD\UHÁH[LYD Aprende de forma autónoma 7— Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. Trabaja en forma colaborativa 8— Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. Participa con responsabilidad en la sociedad 9— Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. 10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables.
Las competencias disciplinares son las nociones que expresan conocimientos, habilidades y actitudes que consideran los mínimos necesarios de cada FDPSRGLVFLSOLQDUSDUDTXHORVHVWXGLDQWHVVHGHVDUUROOHQGHPDQHUDHÀFD]HQGLIHrentes contextos y situaciones a lo largo de la vida. Las competencias disciplinares pueden ser básicas o extendidas. Las competencias disciplinares básicas procuran expresar las capacidades que todos los estudiantes deben adquirir, independientemente del plan y programas de estudio que cursen y la trayectoria académica o laboral que elijan al terminar sus estudios de bachillerato. Las competencias disciplinares básicas dan sustento a la formación de los estudiantes en las competencias genéricas que inteJUDQHOSHUÀOGHHJUHVRGHOD(06\SXHGHQDSOLFDUVHHQGLVWLQWRVHQIRTXHVHGXFDWLvos, contenidos y estructuras curriculares; se organizan en los campos disciplinares siguientes: Matemáticas, Ciencias Experimentales (Física, Química, Biología y Ecología), Ciencias Sociales y Humanidades (Historia, Sociología, Política, Economía, Administración, Lógica, Ética, Filosofía y Estética) y Comunicación (Lectura y Expresión oral y escrita, Literatura, Lengua extranjera e Informática). Para la asignatura Física II que pertenece al área de Ciencias experimentales, la RIEMS señala la siguientes competencias disciplinares básicas. Dichas competencias tLHQHQXQHQIRTXHSUiFWLFRVHUHÀHUHQDHVWUXFWXUDV de pensamiento y procesos aplicables a contextos diversos, que serán útiles para los estudiantes a lo largo de la vida, sin que por ello dejen de sujetarse al rigor metodológico que imponen las disciplinas que las conforman. Su desarrollo favorece acciones responsables y fundadas por parte de los estudiantes hacia el ambiente y hacia sí mismos. 1— Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y HODPELHQWHHQFRQWH[WRVKLVWyULFRV\VRFLDOHVHVSHFtÀFRV 2— Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. 3— ,GHQWLÀFDSUREOHPDVIRUPXODSUHJXQWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFR\SODQWHD las hipótesis necesarias para responderlas. 4— Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a pregunWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFRFRQVXOWDQGRIXHQWHVUHOHYDQWHV\UHDOL]DQGR experimentos pertinentes. 5— Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 6— Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenóPHQRVQDWXUDOHVDSDUWLUGHHYLGHQFLDVFLHQWtÀFDV 7— +DFHH[SOtFLWDVODVQRFLRQHVFLHQWtÀFDVTXHVXVWHQWDQORVSURFHVRVSDUD la solución de problemas cotidianos. 8— Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nocioQHVFLHQWtÀFDV 9— Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesiGDGHVRGHPRVWUDUSULQFLSLRVFLHQWtÀFRV 10— Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o moGHORVFLHQWtÀFRV
11— Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de impacto ambiental. 12— Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 13— Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos. 14— Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Estrategia didáctica Para contribuir al desarrollo de las sesiones de aprendizaje en el aula, se estableció una estrategia que permita integrar los elementos del programa de la asignatura, con los materiales de apoyo y la actividad de docentes y estudiantes. 6H OH GHQRPLQD HVWUDWHJLD HQ HO VHQWLGR GH VX ÁH[LELOLGDG \D TXH QR pretende ser un algoritmo que el docente deba seguir al pie de la letra, sino que debe adaptarlo a las características propias del contexto en el que se desarrollan las sesiones de aprendizaje. La estrategia consta de siete pasos o etapas, mismas que deberán conocerse en las primeras sesiones, para un mejor desarrollo de las mismas. Los pasos se listan y describen a continuación: Ȼ Dinamización Ȼ Contextualización Ȼ Problematización Ȼ Desarrollo de saberes Ȼ Síntesis Ȼ Realimentación Ȼ Evaluación de la competencia Dinamización En el proceso de construcción del aprendizaje, es indispensable para el facilitador adentre al alumno en la materia y considere que es a partir de actividades que el estudiante desarrollará nuevos conocimientos. En el desarrollo de competencias se hace necesario el aprendizaje contextual, es decir, presentar elementos a través de escenarios que le sean sigQLÀFDWLYRVDORVHVWXGLDQWHV'LFKDVDFWLYLGDGHVGHEHUiQUHDOL]DUVHDOLQLFLRGH cada bloque en los que se organizan los contenidos en los programas de estudio. Contextualización En el desarrollo de competencias se hace necesario el aprendizaje contextual, es GHFLUSUHVHQWDUHOHPHQWRVDWUDYpVGHHVFHQDULRVTXHOHVHDQVLJQLÀFDWLYRVDORV estudiantes. La contextualización deberá realizarse al inicio de cada bloque en los que se organizan los contenidos en los programas de estudio.
Problematización En el modelo de competencias que la RIEMS establece, el contenido toma un signiÀFDGRSULPRUGLDODODFHUFDUQRVDpODWUDYpVGHVXDSOLFDFLyQHQODYLGDFRWLGLDQD por tanto la problematización debe estar presente a lo largo de toda la estrategia en el aula. Desarrollo de saberes Etapa en la cual el facilitador a partir de la Base Orientadora de la Acción (BOA), facilita el quehacer del estudiante en la adquisición de competencias. En esta etapa de la estrategia, estudiantes y docentes deben estar pendientes del proceso de asimilación. Galperin lo describe como un proceso de etapas y no como un fenómeno inmediato. Las distintas etapas del proceso de asimilación que el alumno experimenta para desarrollar el aprendizaje son: la etapa de motivación la cual debe fomentarse y mantenerse durante todo el curso, recordemos que si un alumno no está motivado, difícilmente aprenderá. La segunda etapa de este proceso es la formación de la BOA, ésta incluye la forma que el facilitador utiliza para que el alumno desarrolle una competencia. La RIEMS sugiere la creatividad como método RIRUPDGHHQVHxDQ]DSDUDFXPSOLUWDOHVÀQHV La BOA puede llevarse a cabo de varias formas, cubriendo tres aspectos importantes, la orientación al alumno, que como ya dijimos debe estar precedida por una buena carga de motivación, dicha orientación puede ser de dos tipos, completa en la que el maestro le proporciona al alumno todos los aspectos de un contenido, e incompleta en la cual se dejan ciertos aspectos de un contenido para que el alumno pueda descubrir o investigar por sí mismo. La generalidad es otro aspecto importante en la constitución de la BOA, sta puede ser concreta o generalizada, es decir, el docente puede mostrar hechos concretos relativos a algún contenido o puede abarcar el mismo contenido pero por medio de hechos generales, que tengan alguna relación con el concepto que se expone al alumno. El modo de obtención es el último de los aspectos que incluye la BOA. Este se presenta de dos formas pre-elaborada e independiente. En el primero, el alumno llega a obtener el aprendizaje de manera conjunta con el facilitador y en la segunda los alumnos adquieren el conocimiento en forma independiente. Síntesis Actividad que permite integrar los aprendizajes del estudiante a través de evidencias de conocimiento, desempeño, producto y actitud de manera que el docente cuente con estrategias para la evaluación formativa logrando involucrar al estudiante en procesos de coevaluación. Realimentación Al término de cada bloque en los que se organizan las unidades de competencia en cada asignatura, el facilitador y los estudiantes ante la evidencia recopilada en la etapa anterior, pueden establecer estrategias que permitan mayor grado de FODULGDGHQODUHFROHFFLyQGHHYLGHQFLDVHLQFOXVRTXHORVDSUHQGL]DMHVVHDQUHDÀUmados por los estudiantes.
Evaluación de la competencia
VIII
Para llevar a cabo la evaluación sumativa de las competencias que se indican en los programas de estudio, se contempla esta etapa la cual debe verse como parte del proceso, es decir, no debe en ningún momento separarse de la formativa. La mejor forma de lograr esta unidad será integrando un portafolio de evidencias de aprendizaje.
1. Dinamización y motivación
3. Contextualización
4. Problematización
5. Desarrollo de criterios
6. Síntesis
7. Realimentación
8. Evaluación de la competencia
Contenido Bloque I: Describe los fluidos en reposo y en movimiento
2
Sesión A: Hidráulica
5
La Hidráulica y los fluidos
6
Relación masa, volumen y gravedad
9
Ejemplos resueltos
11
Sesión B: Hidrostática
13
Tipos de presión y unidades de medida
13
Presión atmosférica
16
La presión manométrica y absoluta
18
Ejemplos resueltos
18
Principios de la hidrostática. Pascal
19
Ejemplos resueltos
20
Principios de la hidrostática. Arquímedes
21
Ejemplos resueltos
22
Sesión C: Fluidos en movimiento
23
Hidrodinámica
24
Relación de entrada y salida
24
Bernoulli y Venturi
26
Otra aplicación de Bernoulli. Teorema de Torricelli
29
Bloque II. Distingue entre calor y temperatura
50
La temperatura y el calor en nuestras vidas
52
Sesión A: La temperatura, sus escalas y los fenómenos de dilatación
55
¿¡Cómo se define la temperatura?
55¿
¿Qué es el calor?
56
Escalas de temperatura
57
Conversiones entre las escalas de temperatura
58
Dilatación de los cuerpos
59
Dilatación lineal
60
Dilatación superficial
63
Dilatación volumétrica
65
Dilatación irregular del agua
67
Sesión B: El calor y su intercambio entre los cuerpos
69
XI
XII
Mecanismos de transferencia de calor
69
Conducción
71
Convección
71
Radiación
72
Capacidad calorífica y calor específico de las sustancias
73
Equilibrio térmico
76
Bloque III. Comprende las leyes de la electricidad
96
Sesión A: Desarrollo histórico de la electricidad
101
Historia de la electricidad
102
Sesión B: Electrostática
105
Electrostática
105
Ley de Coulomb
107
Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico
110
Sesión C: Electrodinámica
114
La electrodinámica
115
Resistencia eléctrica
117
Ley de Ohm
119
Circuitos eléctricos
121
Potencia eléctrica y el efecto Joule
127
Efecto Joule y ley de Joule
129
Bloque IV: Relaciona la electricidad con el magnetismo
144
Sesión A: Desarrollo histórico del estudio del electromagnetismo Sesión B: Magnetismo
148 153
¿ Cómo se define el magnetismo?
154
Tipos de imanes
154
?
154
Campo magnético
155
Magnetismo terrestre
156
Sesión C: Electromagnetismo
159
Electromagnetismo
160
Campo magnético
161
Bibliografía de Física II
177
XIII
?
Bloque I: Describe los fluidos en reposo y en movimiento Unidad de competencia: $QDOL]DODVFDUDFWHUtVWLFDVIXQGDPHQWDOHVGHORVÁXLGRV en reposo y movimiento a través de las teorías, principios, teoremas o modelos matemáticos aplicándolos en situaciones cotidianas. Utiliza los conceptos de la Hidráulica para explicar el principio de Pascal y Arquímedes en situaciones cotidianas.
Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemátiFDVRJUiÀFDV 6LJXH LQVWUXFFLRQHV \ SURFHGLPLHQWRV GH PDQHUD UHÁH[LYD FRPSUHQGLHQGR cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. ,GHQWLÀFDORVVLVWHPDV\UHJODVRSULQFLSLRVPHGXODUHVTXHVXE\DFHQDXQDVHULH de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. (OLJHODVIXHQWHVGHLQIRUPDFLyQPiVUHOHYDQWHVSDUDXQSURSyVLWRHVSHFtÀFR\ GLVFULPLQDHQWUHHOODVGHDFXHUGRDVXUHOHYDQFLD\FRQÀDELOLGDG 5HFRQRFHORVSURSLRVSUHMXLFLRVPRGLÀFDVXVSURSLRVSXQWRVGHYLVWDDOFRQRFHU nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 'HÀQHPHWDV\GDVHJXLPLHQWRDVXVSURFHVRVGHFRQVWUXFFLyQGHFRQRFLPLHQtos. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equiSRGHÀQLHQGRXQFXUVRGHDFFLyQFRQSDVRVHVSHFtÀFRV 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de maQHUDUHÁH[LYD 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
2
&RPSHWHQFLDVGLVFLSOLQDUHVEiVLFDVGHOFDPSRGHODVFLHQFLDVH[SHULPHQWDOHV Ȼ Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y HODPELHQWHHQFRQWH[WRVKLVWyULFRV\VRFLDOHVHVSHFtÀFRV Ȼ Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Ȼ ,GHQWLÀFDSUREOHPDVIRUPXODSUHJXQWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFR\SODQWHD las hipótesis necesarias para responderlas Ȼ Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a pregunWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFRFRQVXOWDQGRIXHQWHVUHOHYDQWHV\UHDOL]DQGR experimentos pertinentes. Ȼ Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Ȼ Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenóPHQRVQDWXUDOHVDSDUWLUGHHYLGHQFLDVFLHQWtÀFDV Ȼ +DFHH[SOtFLWDVODVQRFLRQHVFLHQWtÀFDVTXHVXVWHQWDQORVSURFHVRVSDUD la solución de problemas cotidianos Ȼ Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nocioQHVFLHQWtÀFDV Ȼ Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesiGDGHVRGHPRVWUDUSULQFLSLRVFLHQWtÀFRV Ȼ Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modeORVFLHQWtÀFRV Ȼ Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
3
Dinamización
4
Imagina que te vas de vacaciones a la playa en compañía de tus compañeros de salón. El hotel donde se van a hospedar posee una piscina con trampolín. Después de cambiarse, todos corren para aventarse a la piscina desde el trampolín y, entre juegos, comienzas a brincar para realizar un clavado, pero, ¡oh sorpresa! Pierdes el equilibrio y caes de “panzazo”.
Figura 1.1
Aunque te mueres de la vergüenza y no quieres salir del agua, sientes como poco a poco vas ascendiendo. Con pena, caminas lentamente pues el agua no te permite avanzar más rápido. Mientras tus amigos se ríen te preguntas: ¿por qué no me quedé en el fondo de la piscina? ¿Por qué sentí un golpe fuerte en el abdomen? ¿Por qué no puedo moverme con facilidad para salir y esconderme?
Actividad Describe brevemente las características de los estados de agregación de la materia considerando su energía cinética, su energía potencial, forma, volumen y movimiento molecular: Sólido
Líquido
Gaseoso
¿Será posible que el incidente de la piscina esté relacionado con alguna de estas características?
Contextualización Laura es una chica de pelo castaño y ojos cafés. Los sábados practica deporte en el plantel de Baca. Al terminar de entrenar le da mucha sed y toma su botella con agua entre las manos. Mientras ella bebe, se da cuenta de que en la pared de la botella se quedan pegadas unas gotas, pero no le da importancia, pues es algo que ya había visto con anterioridad. Se despide de unas compañeras en la cafetería y observa que el envase de vidrio que contiene refresco no tiene gotas pegadas a su pared pues el líquido se resbala.
5
Laura ahora se pregunta por qué se forman las gotas en un recipiente y no en el otro. ¿Será el tipo de líquido? ¿Será el recipiente? Y tú, ¿por qué crees que sucede?
Sesión A: Hidráulica Problematización El maestro de Física te entrega una bolsa de plástico y te indica que coloques dentro objetos sólidos. Luego te pregunta si utilizarías la misma bolsa para contener un líquido o un gas. ¿Será que necesitemos recipientes diferentes? ¿Por qué?
Figura 1.2
Actividad de aprendizaje 1 Utiliza una placa de vidrio y marca con un plumón una línea a 1 cm de uno de los extremos. Coloca sobre la línea dos gotas de las siguientes sustancias: miel, aceite y agua. Inclina lentamente la placa y observa. Describe las características de estas sustancias. Sustancia
Características
Miel Aceite Agua
Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ ,GHQWLÀFRODVFDUDFWHUtVWLFDVGHORVÁXLGRVHQEDVHDODVSURSLHGDdes de los estados de agregación de la materia.
Figura 1.3 .
Del saber hacer: Ȼ 'LVWLQJR ODV GLIHUHQWHV FDUDFWHUtVWLFDV TXH SRVHHQ ORV ÁXLGRV \ aplico la resolución de ejercicios en la vida cotidiana.
6
Del saber ser: Ȼ 9DORURODLPSRUWDQFLDGHODVDSRUWDFLRQHVFLHQWtÀFDVUHODFLRQDGDV con los estados de agregación de la materia.
Desarrollo de saberes
La Hidráulica y los fluidos La Hidráulica se ocupa del estudio de las características de los líquidos y su comportamiento, asimismo demuestra las aplicaciones de éstos, por ejemplo, en presas, ductos, tuberías, sistemas de riego, etc. Se divide en dos ramas: la hidrostática (líquidos en reposo) y la hidrodinámica (líquidos en movimiento). La utilización de los gases y líquidos en la vida cotidiana es común: ¿Has utilizado desodorante en aerosol? ¿Alguna vez han ajustado la silla cuando te vas DFRUWDUHOFDEHOOR"¢+DVXVDGRHOJDWRKLGUiXOLFR"¢+DVLQÁDGRDOJXQDOODQWD"¢7H han inyectado?
Figura 1.4 Productos gases y líquidos.
Si contestaste sí por lo menos a una pregunta entonces has sido “víctima” GH OD PHFiQLFD GH ÁXLGRV /RV JDVHV \ ORV OtTXLGRV VRQ FRQVLGHUDGRV ÁXLGRV SRUTXH poseen propiedades similares, como ajustarse al recipiente que los contiene o que sus moléculas están separadas y se mueven con facilidad. En este bloque nos enfocaremos DOHVWXGLRGHORVÁXLGRVOtTXLGRV\VXVSURSLHGDGHVTXHOHSHUPLWHQDODKLGUiXOLFD mejorar nuestra calidad de vida.
Actividad de aprendizaje 2 ,QYHVWLJDODVVLJXLHQWHVGHÀQLFLRQHV\HVFULEHDOPHQRVXQHMHPSORGHVXDSOLFDFLyQ
Definición
Ejemplo
Hidráulica
7
Hidrodinámica
Hidrostática
Características de los fluidos /RVÁXLGRVGHELGRDVXDUUHJORPROHFXODUSRVHHQFLQFRFDUDFWHUtVWLFDVSULQFLSDOHV YLVFRVLGDGWHQVLyQVXSHUÀFLDOFRKHVLyQDGKHUHQFLD\FDSLODULGDG La viscosidadGHXQÁXLGRVHGHEHDO´UHDFRPRGRµTXHVXIUHQVXVPROpFXODV FXDQGRVHGHVSOD]DQSRUXQDVXSHUÀFLHRHQHOLQWHULRUGHXQFRQGXFWR(VWHUHDFRPRdo provoca que las moléculas rocen unas con otras y que la velocidad del desplazaPLHQWRGHOÁXLGRVHYHDPRGLÀFDGD SRUWDQWRDOJXQRVDXWRUHVGHÀQHQODYLVFRVLGDG FRPRODRSRVLFLyQRUHVLVWHQFLDTXHWLHQHXQOtTXLGRDOÁXLU. (a)
(b)
(c)
Figura 1.5 Viscosidad.
)LJXUD(OOtTXLGRÁX\HPiVUiSLGRVLSRVHH menor densidad.
Sustancia
8
Viscosidad
Viscosidad
[PA-s]
[Cp]
Sustancia
Viscosidad
Viscosidad
[PA-s]
[Cp]
Acetona*
3.06 u 10
-4
0.158
Glicol de etileno
1.61 u 10
Metanol*
5.44 u 10
-4
0.306
Ácido sulfúrico*
2.42 ux 10
Benceno*
6.04 u 10
-4
-2
16.1 24.2
-2
0.604
Aceite de oliva
0.081
81
Agua
-4
8.94 u 10
0.894
Glicerol*
0.934
934
Etanol*
1.074 u 10
1.074
Aceite de ricino*
0.985
985
Mercurio*
1.526 u 10
1.526
Jarabe de maíz*
1.3806
1380.6
Nitrobencina*
1.863 u 10
-3
1.863
HFO-380
2.022
2022
Propanol*
1.945 u 10-3
1.945
Lechada
2.3 u 108
2.3 u 1011
-3 -3
7DEOD9DORUHVGHYLVFRVLGDGGHDOJXQDVVXVWDQFLDV/tTXLGRV DqC) *Datos del manual del CRC de la química y de la física, 73a edición, 1992-1993.
La unidad utilizada en el Sistema Internacional (SI) es el poiseuille y, en el sistema CGS, el poise. 1 poiseuille = 1 N.s/m2 = 1 Kg/m.s 1 poise = 1 dina.s/cm2 = 1 g/cm.s Algunas llaves de agua de la cocina o baño de tu casa se desgastan y tienden a gotear, la formación de cada gota de agua se debe a otra propiedad de los ÁXLGRVOODPDGDWHQVLyQVXSHUÀFLDO. La WHQVLyQVXSHUÀFLDOes producida por la fuerza de atracción enWUHODVPROpFXODVTXHVHHQFXHQWUDQHQODVXSHUÀFLHGHOOtTXLGRORTXHGDOD apariencia de formar una “capa o membrana”. $OJXQRVLQVHFWRVSXHGHQFDPLQDUVREUHODVXSHUÀFLHGHODJXDGHHVWDQTXHVODJRVRFKDUFRVGHELGRDODWHQVLyQVXSHUÀFLDO
)LJXUD7HQVLyQVXSHUÀFLDO
3HUR¢SRUTXpDOJXQDVSDUWtFXODVSXHGHQPDQWHQHUVHXQLGDVDVXSHUÀFLHV como el vidrio de un envase o al plástico de un popote? Por la fuerza de atracción que existe entre las moléculas. Si la atracción de las moléculas se presenta en la misma sustancia se le denomina cohesión, y cuando la atracción se da entre las moléculas de dos sustancias diferentes se le denomina adherencia.
9
Figura 1.8 Ejemplos de cohesión y adherencia.
OWUDFDUDFWHUtVWLFDGHORVÁXLGRVHVODFDSLODULGDGHQGRQGHHOÁXLGRHV capaz de ascender a través de un tubo, mientras más delgado sea el tubo más altuUDDOFDQ]DUiHOÁXLGR/DVSODQWDVDEVRUEHQDJXDGHOVXHORSRUFDSLODULGDGFXDQGR XQDVHUYLOOHWDVHPRMDHQXQDSRUFLyQHOOtTXLGR´FRUUHµKDFLDWRGDODVXSHUÀFLH por capilaridad.
Actividad de aprendizaje 3 Investiga por lo menos dos ejemplos de la aplicación de cada una de las caracteUtVWLFDVGHORVÁXLGRV Viscosidad
Tensión superficial
Cohesión
Adherencia
Capilaridad Figura 1.9 Capilaridad.
Relación masa, volumen y gravedad /DGHQVLGDGHVXQDSURSLHGDGHVSHFtÀFDGHODPDWHULDTXHUHODFLRQDODPDVDGHXQ cuerpo con el volumen ocupado en el espacio. 'HQVLGDG Ŭ PDVDYROXPHQ JFP3R.JP3
Densidades a temperatura ambiente g/cm3
kg/m3
Líquidos
g/cm3
kg/m3
Aluminio
2.7
2.700
Acetona
0.79
790
Corcho
0.25
250
Aceite
0.92
920
Cobro
8.96
8.960
Agua de mar
1.025
1.025
Hielo
0.92
920
Agua destilada
1
1.000
Hierro
7.9
7.900
Alcohol etílico
0.79
790
Madera
0.2-0,8
200-800
Gasolina
0.68
680
Plomo
11.3
11.300
Leche
1.03
1.030
Vidrio
3.0-3.6
3.000-3.600
Mercurio
13.6
13.600
Gases
g/cm
kg/m
Gases
g/cm
kg/m3
Sólidos
10
3
3
3
(0°C, 1 atm)
(0°C, 1 atm) Aire
0.0013
1.3
Hidrógeno
0.0008
0.8
Butano
0.0026
2.6
Oxígeno
0.0014
1.4
Dióxido de carbono
0.0018
1.8
Tabla 1.2 Ejemplo de valores de densidad a temperatura ambiente.
Las sustancias que poseen densidad elevada contienen una mayor cantiGDGGHSDUWtFXODVHQXQYROXPHQGHÀQLGR
1ml
1ml
)LJXUD$PD\RUGHQVLGDGPD\RUFDQWLGDGGHPROpFXODVHQXQYROXPHQGHÀQLGR
El SHVR HVSHFtÀFR es una propiedad que relaciona la densidad con la fuerza de atracción de la gravedad, es decir, establece la relación entre el peso y el volumen del objeto.
3HVRHVSHFtÀFRHQ1P3 Peso de la sustancia en N Volumen en m3
Sabemos que peso es igual a la masa multiplicada por la gravedad, entonces podemos deducir lo siguiente: y
Si
entonces podemos sustituir el valor de W en la
fórmula de Pe:
11 Si
entonces
Actividad de aprendizaje 4 Investiga qué es un densímetro y cuáles son sus aplicaciones.
Ejemplos resueltos 1— Calcular la densidad de una sustancia que se encuentra en un recipiente que contiene un volumen de 1500 ml y cuya masa es de 243 g. Datos
Fórmula
Conversión del volumen y sustitución en la fórmula
Resultado
Encuentra la masa en gramos de una muestra de agua que tiene una denVLGDGGHJFP3 en un recipiente que tiene un volumen de 1 l.
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en la fórmula
Resultado
12 2— (QFXHQWUDHOSHVRHVSHFtÀFRGHXQDVXVWDQFLDTXHWLHQHXQDPDVDGH g en un volumen de 500 cm3. Datos
Fórmula
Sustitución en la fórmula
Resultado
Actividad de aprendizaje 5 Resuelve los siguientes ejercicios en tu libreta para determinar densidad y peso HVSHFtÀFR 1— Calcula la densidad de un refresco de cola que se encuentra en un envase que contiene un volumen de 255 ml y tiene una masa de 34 g. 2— Encuentra la masa de ácido sulfúrico contenido en una batería de autoPyYLOFX\RYDORUGHGHQVLGDGHVGHJFP3 y se encuentra contenido en un volumen de 450 cm3. 3— &DOFXODHOYROXPHQGHXQURQDxHMRFX\DGHQVLGDGHVJFP3 y tiene una masa de 98 mg. 4— &DOFXODHOSHVRHVSHFtÀFRGHXQSRSRWHFX\DPDVDHVGHJHQXQ volumen de 10 ml. 5— &DOFXODHOSHVRHVSHFtÀFRGHWRUWLOODGHKDULQDTXHWLHQHXQDGHQVLGDG GHJFP3 y tiene una masa de 5 g.
Síntesis (ODERUDHQWXOLEUHWDXQFXDGURFRPSDUDWLYRFRQODFODVLÀFDFLyQGHODKLGUiXOLFD SDUDHOHVWXGLRGHORVÁXLGRV\FRORFDHLO~VWUDORFRQHMHPSORVGLUHFWRVGHQXHVWUD vida cotidiana.
Sesión B: Hidrostática Problematización £2KQR2WUDYH]HVWiVHQIHUPR7LHQHVFDOHQWXUD\HOPpGLFRWHUHFHWyXQDVLQ\HFciones para ayudar a tu recuperación. Entras a la sala de cuidados preventivos y la enfermera acaba de preparar la jeringa para aplicarte el medicamento. La enfermera intenta insertar la aguja en el músculo pero ésta no penetra la piel pues estás tan nervioso que no puedes relajarte, lo que provoca contracción muscular. La enfermera lo intenta nuevamente sin éxito y está a punto de clavarte la jeringa una tercera vez cuando alguien le dice: ¡Cambia la aguja!
13
La enfermera realiza el cambio y te inyecta el medicamento sin ningún problema. ¿Por qué crees que esta vez no te dolió?
Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ Describo las propiedades físicas que caracterizan el comportaPLHQWRGHORVÁXLGRV Del saber hacer: Ȼ $QDOL]RODVGLIHUHQWHVSURSLHGDGHVGHORVÁXLGRVFRPRGHQVLGDG SHVRHVSHFtÀFR\SUHVLyQHQVLWXDFLRQHVUHODFLRQDGDVFRQQXHVWUR entorno. Ȼ Describo el concepto de presión y reconozco sus unidades de medida. Del saber ser: Ȼ Aplico los principios de Arquímedes y de Pascal en situaciones reales y experimentales.
Desarrollo de saberes
Tipos de presión y unidades de medida La fuerza aplicada sobre un área determinada recibe el nombre de presión. Su expresión matemática es:
Figura 1.11
Las unidades que se utilizan en el SI son:
14
/DSUHVLyQVREUHXQDVXSHUÀFLHDXPHQWDHQUHODFLyQDODIXHU]DTXHVHOH aplica de manera proporcional. Esto quiere decir que si le aumentamos al doble la fuerza entonces la presión se aumentará al doble.
La presión es proporcional a la fuerza aplicada pero inversamente proporcional al área sobre la cual se aplica la fuerza.
A PD\RUiUHDODIXHU]DVHGLVWULEX\HHQWRGDODVXSHUÀFLHKDFLHQGRTXH la presión se vea reducida. En cambio, cuando se aplica fuerza a un área pequeña la presión aumenta, debido a que la fuerza se concentra en un solo punto.
Figura 1.12
La presión hidrostáticaVHGHÀQHFRPRODIXHU]DTXHHMHUFHXQOtTXLGR HQUHSRVRVREUHODVXSHUÀFLHGHODVSDUHGHVGHOUHFLSLHQWHTXHORFRQWLHQH(VWD fuerza es perpendicular a las paredes del recipiente. El valor de la presión depende de la naturaleza del líquido y la acción de la gravedad. Al sumergirnos en una piscina sentimos la presión del agua en cualquier parte de nuestro cuerpo pero, ¿por qué cuando estamos parados sobre la piscina percibimos mayor presión en los pies? Figura 1.13
La SUHVLyQ SDUD XQ ÁXLGR es la misma a una determinada profundidad, la presión de un líquido varía de acuerdo a la profundidad a la que se mide. Por ejemplo: imagina una columna de líquido contenido en recipiente, a medida que la profundidad aumenta, la masa del agua es mayor FRQ UHVSHFWR D OD SDUWH VXSHULRU GHO ÁXLGR \ SRU tanto, su peso es mayor.
Figura 1.14
15
Figura 1.15
Figura 1.16
Si deseamos calcular la presión hidrostática debemos considerar la masa del líquido tomando en cuenta su densidad, para ello recordamos la fórmula de densidad en la sesión anterior.
Despejando tenemos: Y con la fórmula de peso: considerando que el volumen es
, tenemos lo siguiente:
, y,
, obtenemos:
Finalmente,, como el peso es una fuerza, entonces
, despejando
el área obtenemos: Por lo tanto se obtiene la ecuación matemática: Ejemplos 1— Una piscina tiene una profundidad de 10 m cuando está totalmente llena. ¿Cuál es la presión en el fondo?
Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
16
Actividad de aprendizaje 6 Resuelve los siguientes ejercicios acerca de presión hidrostática en tu libreta. 1— ¿Cuál será la presión que recibe una ballena que se encuentra nadando en el mar a una profundidad de 40 m? 2— Determina la profundidad a la que se encuentra un buzo en el mar, cuando éste soporta una presión de 6 u 106 Pa.
Presión atmosférica ¿Conoces a alguien a quien le hayan medido la presión arterial? ¿Sabes que esta presión es una consecuencia de la presión atmosférica? La presión atmosférica es la presión que ejercen los gases de la atmósfera sobre los cuerpos que se encuentran por debajo de ella, de igual forma que con los líquidos. Por ejemplo, la presión arterial depende de la presión atmosférica y es un signo vital medido por los médicos para conocer el estado de salud de un individuo. El barómetro es el instrumento de medición para la presión atmosférica.
Considerando que los gases y los líquidos se comportan de la misma maQHUDSRUVHUÁXLGRVLPDJLQDXQDFROXPQDGHJDVHV(QHVWDFROXPQDODSUHVLyQ también varía con respecto a la altura. Cuanto mayor sea la cantidad de gases sobre un cuerpo, mayor será la presión sobre el mismo. Tabla de altitudes y presiones atmosféricas Altitud (m)
Presión (mmHg)
Altitud (m)
Presión (mmHg)
800
690
1400
642
900
682
1500
634
1000
674
1600
626
1100
665
1700
618
1200
657
1800
611
1300
649
1900
603
7DEOD9DULDFLyQGHODSUHVLyQGHELGRDODDOWLWXG
Por lo general, la presión atmosférica se mide en atmósferas (atm), y una atmósfera es la presión que ejerce una columna de mercurio de 76 cm de altura por cm2 de sección transversal medido a una temperatura de 0°C. Otras unidades para medir la presión atmosférica son los pascales, las libras sobre pulgada cuadrada y las libras sobre pie cuadrado.
Actividad de aprendizaje 7 Realiza una consulta en fuentes electrónicas o impresas sobre el experimento de (YDQJHOLVWD7RUULFHOOL2UJDQt]DWHHQJUXSRVGHWUHVRFXDWURLQWHJUDQWHV\HODERUHQ un dibujo en un papel bond que ilustre la secuencia de pasos del experimento. Expliquen su dibujo frente a la clase.
Actividad de aprendizaje 8 Con base a la investigación realizada en la actividad anterior, responde las siguientes preguntas: 1— ¢&yPRVHFRPSRUWyHOPHUFXULRGXUDQWHHOH[SHULPHQWRGH7RUULFHOOL"
2— ¿Por qué no descendió todo el mercurio del tubo?
3— ¿Cuánto mide la columna de mercurio después de haber descendido?
4— ¿A qué corresponde esta medición?
5— ¿Consideras que el resultado del experimento sería diferente si la columna de mercurio estuviera inclinado y no completamente vertical? Explica detalladamente.
17
6— ¢4XpKDEUtDVXFHGLGRVL7RUULFHOOLKXELHVHXVDGRDJXDHQOXJDUGHPHUcurio?
18
7— ¿Cuáles son los conceptos fundamentales que comprobó el experimento GH7RUULFHOOL"
8— Si realizaras este experimento en el laboratorio de tu escuela, ¿necesitarías precauciones especiales para el manejo del mercurio? ¿Por qué?
La presión manométrica y absoluta &XDQGRHUDVXQQLxRTXL]iMXJDVWHFRQJORERVOOHQRVGHDJXD7DOYH]DOJXQDVRFDsiones los aventabas para mojar a los demás niños al impactarse el globo contra ellos, sin embargo, a veces se reventaban en el aire. ¿Por qué se rompe el globo si no lo pinchaban o lo apretaban? En realidad, lo que sucedía era que aumentaba su SUHVLyQLQWHULRUSRUORVJROSHVDOPRPHQWRGHODQ]DUORV/RVÁXLGRVFRQWHQLGRVHQ un recipiente están expuestos también a la presión atmosférica.
Figura 1.18 El manómetro más sencillo consiste en un tubo en forma de una U o J.
Manómetro: es un dispositivo para medir la SUHVLyQGHÁXLGRV
Figura 1.17 Los globos contienen líquido ejerciendo una presión sobre sus paredes.
La presión manométrica se puede determinar por p medio de la resta de la presión atmosférica a la presión absoluta. LD SUHVLyQ DEVROXWD VH UHÀHUH WDQWR D OD SUHVLyQ TXH SRVHH XQ OtTXLGR R un gas contenido en un recipiente hermético como a la presión atmosférica que se ejerce sobre él. Se expresa de la siguiente manera:
Ejemplos resueltos 1— Un manómetro de mercurio se conectó a un tanque con un gas a presión, el mercurio indicó una diferencia de altura de 39 cm entre una
rama y otra del tubo del manómetro. ¿Cuál es la presión absoluta del gas en el interior del tanque si el experimento se realizó a nivel del mar? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
19
Actividad de aprendizaje 9 Realiza los siguientes ejercicios en tu libreta. 1— Para medir la presión manométrica del interior de un cilindro con gas se utilizó un manómetro de tubo abierto; al medir la diferencia entre los dos niveles de mercurio se encontró un valor de 13 cm de mercurio. Determina la presión absoluta que hay dentro del cilindro. Considera la presión atmosférica, que es de 400 mm de Hg. 2— Calcula la presión hidrostática en el fondo de una piscina de 5 m de SURIXQGLGDGVLODGHQVLGDGGHODJXDHVGHNJP3. 3— Calcula la profundidad a la que se encuentra sumergido un submarino en el mar cuando soporta una presión hidrostática de 8u1061P2. La GHQVLGDGGHODJXDGHPDUHVGHNJP3.
Principios de la hidrostática. Pascal Ahora que ya tenemos claro el concepto de presión, podemos seguir analizando sus aplicaciones. Uno de los principios fue aportado por Blaise Pascal, quien por meGLRGHVXVREVHUYDFLRQHVOOHJyDODFRQFOXVLyQGHTXH ´7RGDSUHVLyQTXHVHHMHUFH sobre un líquido encerrado en un recipiente, se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene”. Este principio lo demostró mediante tres experimentos: la jeringa de Pascal, el tonel de Pascal y la prensa hidráulica.
Figura 1.19 Jeringa y tonel de Pascal.
20
Figura 1.20 Prensa hidráulica.
Un ejemplo de este principio se observa más claramente en los gatos hidráulicos usados en los autos para cambiar las llantas de un auto. En esta herramienta una pequeña fuerza actúa sobre un émbolo de menor área y se produce una fuerza mayor sobre un émbolo mayor, lo que demuestra la prensa hidráulica. En la prensa hidráulica, se considera que la presión del líquido es la misPDHQWRGRHOÁXLGR\VREUHODVSDUHGHVGHOUHFLSLHQWHGHPDQHUDTXH . Como
, entonces se puede relacionar expresándola de la siguiente
manera:
En donde: F1 )XHU]DREWHQLGDHQHOpPERORPD\RUHQ1HZWRQV 1 A1 ÉUHDGHOpPERORPD\RUHQPHWURVFXDGUDGRV P2). F2 )XHU]DREWHQLGDHQHOpPERORPHQRUHQ1HZWRQV 1 A2 ÉUHDGHOpPERORPHQRUHQPHWURVFXDGUDGRV P2).
Ejemplos resueltos 1— ¿Qué fuerza se obtendrá en el émbolo mayor de una prensa hidráulica cuya área es de 50 cm2, cuando en el émbolo menor, de 10 cm2 de área, se aplica una fuerza cuyo valor es de 100 N? Datos
Fórmula
Despeje y sustitución
Resultado
Actividad de aprendizaje 10 Resuelve los siguientes ejercicios en tu libreta. 1— ¿Qué fuerza se ejercerá sobre el émbolo mayor de una prensa hidráulica cuya área es de 200 cm2, si la fuerza aplicada es de 40 N en el émbolo menor, cuya área es de 30 cm2? 2— Determina el área del émbolo mayor de una prensa hidráulica, si la fuerza aplicada sobre él es de 500 N y en el émbolo menor se aplica una fuerza de 80 N, cuando el área es de 0.5 m2.
21
Principios de la hidrostática. Arquímedes ¿Sabes quién es Arquímedes? Pues bien, este personaje no sólo hizo aportaciones a las matemáticas, sino que gracias al “miedo de perder la cabeza” contribuye a OD)tVLFDFRQXQSULQFLSLR ´7RGRFXHUSRVXPHUJLGRHQXQÁXLGRUHFLEHXQHPSXMH DVFHQGHQWHLJXDODOSHVRGHVDORMDGRGHOÁXLGRµ
Figura 1.21 Arquímedes (287 a. C.– 212 a.C.)
)LJXUD´7RGRFXHUSRVXPHUJLGRHQXQÁXLGRUHFLEHXQHPSXMHDVFHQGHQWHLJXDODOSHVRGHVDORMDGR GHOÁXLGRµ
Aquí va la historia: En ese tiempo, Arquímedes era un sabio muy respetado y llegó a ser FRQVHMHURGHOUH\(OUH\VHPDQGyDKDFHUXQDFRURQDGHRURSHURGHVFRQÀyGHO herrero que le hizo el trabajo y le pidió a Arquímedes que resolviera su duda. Pasaron los días y no se encontraba respuesta, entonces el rey, furioso, le gritó: ¡Si no resuelves mi duda te corto la cabeza! Muy desanimado y triste, Arquímedes fue a su casa a darse un baño para relajarse. Pensando en que iba a morir, observó que el agua de la tina se desbordaba cuando él entraba. Pidió nuevamente que llenaran la tina y se sumergió de nuevo, observando el mismo fenómeno. Luego introdujo varios objetos al agua, FDGDREMHWRTXHLQWURGXFtDÁRWDEDRVHVXPHUJtDSRUFRPSOHWRFDPELDQGRHOQLYHO del agua de la tina. ¡Eureka!, dijo con alegría, y salió corriendo por toda Siracusa para llegar al palacio real. Una vez ahí utilizó sus observaciones para resolver la duda del rey.
Arquímedes también realiza aportaciones sobre la palanca y la geometría plana.
¿Qué crees que hizo para demostrar al rey de qué material estaba hecha la corona?
22
&RPR GLMLPRV DQWHV OD SUHVLyQ VH HMHUFH SRU WRGR HO ÁXLGR \ FXDQGR XQREMHWRHVFDSD]GHURPSHUODWHQVLyQVXSHUÀFLDO\VHULQWURGXFLGRWDPELpQHV DIHFWDGRSRUHVDSUHVLyQ(OHPSXMHHVODIXHU]DTXHHMHUFHQORVÁXLGRVSRUDFFLyQ de la presión sobre un objeto. Existen tres condiciones: 1— 6L HO SHVR GHO REMHWR HV PHQRU DO GHO HPSXMH UHDOL]DGR SRU HO ÁXLGR HQWRQFHVHOREMHWRÁRWD 2— Si el peso del objeto es igual al del empuje realizado, entonces el objeWRTXHGDUiVXPHUJLGRHQHOÁXLGRGHPDQHUDTXHODVIXHU]DVVHHTXLlibran. 3— Si el peso del cuerpo es mayor al del empuje realizado, entonces el objeto se hunde.
Figura 1.23 Las tres condiciones de empuje.
El empuje puede expresarse matemáticamente de la siguiente manera:
8QREMHWRÁRWDVLVX densidad es menor a ODGHOÁXLGR
Como
entonces:
Ejemplos resueltos 1— Un objeto se sumerge en agua y desaloja un volumen de 0.5 m3. ¿Cuál será el empuje recibido por el objeto?
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución
Resultado
23
Actividad de aprendizaje 11 Resuelve los siguientes problemas en tu libreta. 1— Un cubo de hierro de 50 cm3 se sumerge a la mitad en agua. Si el peso del cubo es de 300 N en el aire, determina el peso aparente del cubo y el empuje realizado por el líquido. 2— Determina el empuje que recibe un objeto que pesa 300 N y posee un volumen de 0.6 m3, cuando se sumerge por completo en agua.
Síntesis Elabora en tu libreta un cuadro comparativo con las características de los diferentes estados de la materia y coloca e ilústralo con ejemplos directos de tu contexto social.
Sesión C: Fluidos en movimiento Problematización Cuando caminas por una calle, puedes observar que hay unas tuberías que conducen agua hacia las casas. ¿Alguna vez te has subido a la azotea y observado el interior de un tinaco? ¿Cómo llega el agua hasta ese lugar? ¿De qué manera se distribuye a las casas y colonias? ¿Cómo determinan cuánto deben de pagar al bimestre?
Figura 1.24
Con ayuda de tu facilitador y tus compañeros resuelve en tu libreta estas cuestiones.
Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ 'HVFULERODVFDUDFWHUtVWLFDVGHORVÁXLGRVHQPRYLPLHQWR Del saber hacer:
24
Ȼ Analizo los principios de la masa y energía para obtener la fórmula de gasto, ecuación de continuidad y teorema de Bernoulli. Ȼ Utilizo los modelos matemáticos para resolver problemas relacionados FRQJDVWRÁXMRHFXDFLyQGHFRQWLQXLGDG\%HUQRXOOLHQODVROXFLyQGH problemas prácticos. Del saber ser: Ȼ Aprecio la importancia de los diferentes modelos matemáticos y los de Bernoulli en aplicaciones de la vida cotidiana.
Hidrodinámica (QWRQFHVXQÁXLGRWDPELpQSXHGHPRYHUVHRGHVSOD]DUVH\ODKLGURGLQiPLFDQRV ayuda a estudiar este fenómeno. Para facilitar la comprensión de estas características debemos tomar en cuenta las siguientes reglas: Euler fue el primer personaje en sugerir que para estudiar el comportamiento de ORVÁXLGRVpVWRVVH consideren ideales: sin viscosidad e incomprensibles.
Ȼ Los líquidos son incompresibles. Ȼ /D YLVFRVLGDG QR DIHFWD HO PRYLPLHQWR GHO ÁXLGR HV GHFLU OD IULFFLyQ ocasionada por el paso del líquido en las paredes de la tubería se considera despreciable. Ȼ (OÁXMRGHOOtTXLGRDWUDYpVGHODVWXEHUtDVHVHVWDEOH\HVWDFLRQDULRHV GHFLUQRKD\WXUEXOHQFLDV6LFRORFDPRVXQDSDUWtFXODGHQWURGHOÁXLdo, ésta debe seguir la misma la misma trayectoria y adquirir la misma YHORFLGDGGHOÁXMR
Figura 1.25 Flujo estable.
Relación de entrada y salida (OJDVWRHVODUHODFLyQTXHH[LVWHHQWUHODFDQWLGDGGHYROXPHQGHOÁXLGRDWUDYpV de una tubería en determinado tiempo.
25 Además, el gasto puede calcularse como:
Esto se debe a que Y como
, sustituyendo en
, entonces:
(OÁXMRVHGHÀQHFRPRODFDQWLGDGGHPDVDGHÁXLGRTXHSXHGHSDVDUD través de una tubería en determinado tiempo, y se describe como:
7DPELpQSXHGHUHODFLRQDUVHODGHQVLGDGSDUDGHWHUPLQDUHOÁXMR\DTXH
Queda
VXVWLWX\HQGRHQODIyUPXODGHÁXMR
Si somos observadores podemos realizar otra sustitución, ya que queda:
Ahora, considerando que el volumen de líquido que entra por la tubería es el mismo que el volumen que sale por ella, podemos obtener una relación denominada ecuación de continuidad.
Esta relación establece que la cantidad de líquido que pasa a través de una tubería angosta, lo hace a mayor velocidad que cuando pasa por una tubería más ancha.
26 Figura 1.26
Como el volumen es constante, el gasto también lo es, así que
Por lo tanto,
Bernoulli y Venturi Daniel Bernoulli estudió el comportaPLHQWRGHORVÁXLGRV en el siglo XVIII.
El teorema de Bernoulli es también conocido como el teorema GH WUDEDMRHQHUJtD HQ ORV ÁXLdos. Bernoulli considera que en una tubería que posee una elevación, la presión es menor en la parte más alta. Figura 1.27
Para determinar el teorema de Bernoulli se relaciona el principio de la conservación de la energía que involucra la energía cinética y la energía potencial.
Donde E7 HQHUJtDWRWDO EC HQHUJtDFLQpWLFD EP HQHUJtDSRWHQFLDO Esta ley se puede expresar también de la siguiente manera:
Entonces, como la suma de las energías es igual en cualquier parte de la tubería, podemos obtener:
Además, falta relacionar la energía o el trabajo generado por la presión:
Y como Como
, entonces: , se deduce que
7RPDQGRHQFRQVLGHUDFLyQTXHVHGHEHUHDOL]DUXQWUDEDMRSDUDOOHYDUHO líquido de una altura a otra, el trabajo queda representado como: Como el volumen es el mismo: Ahora, relacionando el trabajo con la energía queda:
27 7HRUHPDGH%HUQRXOOL “En un líquido estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión es la misma en cualquier parte del ÁXLGRµ
Podemos cancelar el volumen dividiendo toda la ecuación entre esta propiedad:
28 Si pasamos a cada lado de la igualdad, los términos que pertenecen a un mismo punto quedaría:
Y se resume como: La ecuación del teorema de Bernoulli nos puede ayudar a determinar la presión o velocidades cuando existe una diferencia de alturas por el conducto. Si colocáramos medidores de presión en las partes de una tubería horizontal, podríamos observar que la velocidad aumenta cuando el tubo reduce su espacio y la presión disminuye.
Figura 1.28
Otro ejemplo basado en el teorema es el principio de sustentación de las alas de un avión.
El medidor o tubo de Venturi es una de las aplicaciones del teorema de Bernoulli. El medidor de Venturi se utiliza para medir la presión en una tubería horizontal y se deriva del teorema de Bernoulli:
Donde: vA 9HORFLGDGGHOOtTXLGRSDVDQGRSRUODWXEHUtD PV PA 3UHVLyQHQODSDUWHDQFKDGHOWXER 1P2). PB 3UHVLyQHQHOHVWUHFKDPLHQWRGH9HQWXUL 1P2). Ŭ 'HQVLGDGGHOOtTXLGR .JP3).
29
AA ÉUHDGHODSDUWHDQFKDGHOWXER P2). AB ÉUHDGHOHVWUHFKDPLHQWRGHOWXERGH9HQWXUL P2) Un ejemplo aplicado es el carburador de los automóviles donde el aire genera una baja presión cuando se conduce a las cámaras de combustión, lo que hace que aumente su velocidad llevando fácilmente la gasolina para vaporizar.
Otra aplicación de Bernoulli. Teorema de Torricelli Bueno, ya puedes contestar cómo llega el agua al tinaco de tu casa. Pero, ¿qué velocidad tiene cuando abrimos la llave de agua? Para conocer esto, haremos uso GHOWHRUHPDGH7RUULFHOOL Este físico italiano menciona que: “la velocidad de salida de un líquido HVPD\RUFRQIRUPHDXPHQWDODSURIXQGLGDGDODTXHVHHQFXHQWUD HORULÀFLRGH salida”.
Figura 1.29 “La velocidad de salida de un líquido es mayor conforme aumenta la profundidad a la que VHHQFXHQWUDHORULÀFLRGHVDOLGDµ
Entonces si tenemos que mos dividir toda la ecuación entre
, pode:
Si consideramos que la velocidad de salida en el punto 1 (punto más alto) HVSRFRVLJQLÀFDWLYDSRGHPRVHOLPLQDU
Si el punto 2 se encuentra en el fondo del recipiente, entonces por lo tanto:
,
30
do y
Como UHSUHVHQWDDODSUHVLyQDWPRVIpULFDVREUHODVXSHUÀFLHGHOOtTXLrepresenta la densidad del mismo las podemos eliminar:
Despejando la velocidad, queda: Esta fórmula es la misma que utilizamos para determinar la velocidad de un cuerpo en caída libre.
Actividad de aprendizaje 12 Investiga y escribe las aplicaciones de los teoremas descritos anteriormente. Concepto Hemodinámica
Hidroneumático
Alas del avión
Aplicación de los teoremas
Ejercicios Resueltos 1— 'HWHUPLQDHOJDVWR\HOÁXMRGHP3 agua que circula en una tubería en 45 s. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución
Resultado
31
2— En una tubería de 5 cm de diámetro circula agua a una velocidad de 4 PV6LODWXEHUtDVHHVWUHFKDDFPGHGLiPHWUR¢FXiOVHUiODQXHYD YHORFLGDGGHOÁXLGR" Datos
Fórmula
Despeje y sustitución
Resultado
3— Un tubo de Venturi tiene un diámetro de 0.2 m y una presión de 3u104 1P2HQVXSDUWHPiVDQFKD¢&XiOHVHOYDORUGHODYHORFLGDGTXHÁX\H por la tubería si en la parte angosta su diámetro mide 0.08 m y la presión es de 1.5u1041P2? Datos
Fórmula
Sustitución y Resultado
Actividad de aprendizaje 13 Resuelve los siguientes problemas en tu libreta. 1— Calcula el gasto generado en una tubería si pasan 5 m3 en dos minutos.
32
2— Determina el tiempo que tardará una tubería en llenar un depósito de 56 m3FRQDJXDVLVHVDEHTXHHOÁXMRHVGHNJV 3— En un tubo de Venturi el diámetro del estrechamiento es de 0.06 m y soporta una presión de 2u1041P2. ¿Cuál será valor de la velocidad en la parte ancha del tubo si su diámetro mide 0.8 m y la presión es de 5u1041P2?
Síntesis Con ayuda de tu facilitador investiga acerca de otras aplicaciones de la hidráulica. Dividan los temas para elaborar una presentación y exponerlo ante el grupo. Proyecto En equipos de seis integrantes como máximo investiguen y elaboren un PRGHORH[SHULPHQWDOH[SOLFDQGRODVSURSLHGDGHVGHORVÁXLGRV
Realimentación &RQEDVHDORDQWHULRUGHÀQHFRQWXIDFLOLWDGRUODVHVWUDWHJLDVDVHJXLUSDUDDOFDQzar, si no lo has logrado, el nivel estratégico formal.
Evaluación de mis competencias En este apartado incluiremos algunos reactivos parecidos a los utilizados en la SUXHED(1/$&(FRQHOÀQGH´DFWLYDUµORVVDEHUHVTXHKDVGHVDUUROODGRHQHOSDVDdo e integrar tus conocimientos. 1— (VODSDUWHGHOD)tVLFDTXHHVWXGLDORVÁXLGRVHQUHSRVR a) Hidrodinámica
b) Hidrostática
c) Hidráulica
d) Hidroeléctrica
2— Es un ejemplo de una sustancia que posee densidad muy elevada. ( a) Mercurio
b) Aceite
c) Agua
)
d) Miel
3— 3URSLHGDGGHORVÁXLGRVTXHVHGHÀQHFRPRODDWUDFFLyQHQWUHPROpFXODVGH distinta naturaleza. ( ) a) Densidad
b) Viscosidad
c) Cohesión
d) Adhesión
4— 6RQODVXQLGDGHVGHO6,HQTXHVHUHSUHVHQWDODWHQVLyQVXSHUÀFLDO D 3RLVHXLOOH
E 1PF 1P2G 1P3
5— /DYHORFLGDGGHVDOLGDGHXQOtTXLGRSRUXQRULÀFLRTXHHVODTXHWHQGUtDXQ cuerpo cualquiera cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido KDVWDHOFHQWURGHJUDYHGDGGHORULÀFLRFRUUHVSRQGHDOSULQFLSLRGH D 3DVFDOE %HUQRXOOL
F 9HQWXUL
G 7RUULFHOOL
6— 6HGHÀQHFRPRHOYROXPHQGHOtTXLGRTXHFLUFXODSRUXQLGDGGHWLHPSRD través de la sección transversal de una tubería. ( ) D &RQWLQXLGDGE *DVWRF )OXMRG /tQHDGHÁXMR
Actividad experimental 1. Características de los fluidos 3URSyVLWR ,GHQWLÀFDUFODUDPHQWHODVSURSLHGDGHVGHORVÁXLGRVDSDUWLUGHO comportamiento de los líquidos.
33 Material
Cantidad
Vaso de precipitado de 50 ml
1
Probeta de 20 ml
1
Mechero de Bunsen o de alcohol
1
Vaso de plástico de yogurt o helado**
1
Vaso de vidrio sin dibujos*
1
Tubo capilar
1
Popote de diámetro pequeño, de 17 cm de largo*
1
Popote de diámetro grande, de 28 cm de largo*
1
Aguja*
1
Miel*
200 ml
Caja de leche líquida*
150 ml
Mercurio (optativo)
5 ml
Cronómetro
1
*Material que debe aportar el alumno. **Se va a realizar una perforación en la base. Procedimiento: 1— Viscosidad: 7RPDHOERWHGH\RJXUWRKHODGR\SHUIRUDODEDVHKDVWDTXHTXHGHXQRULÀFLR &RQHORULÀFLRWDSDGRDJUHJDPOGHDJXD\GHVWDSDHORULÀFLRSDUDTXHHO DJXDHVFXUUD7RPDHOWLHPSRGHVDOLGDPLHQWUDVREVHUYDVODVDOLGDGHODJXD SRUHORULÀFLR5HSLWHHOSURFHGLPLHQWRXVDQGRPLHO&RPSDUDHOWLHPSRGH salida de ambas muestras. 2— 7HQVLyQVXSHUÀFLDO Coloca agua fría en vaso de precipitado y asienta la aguja suavemente en la VXSHUÀFLH 2EVHUYD TXp RFXUUH 3RVWHULRUPHQWH FDOLHQWD HO DJXD FRQ D\XGD del mechero de Bunsen o mechero de alcohol y observa nuevamente lo que ocurre con la aguja o navaja. 3— Capilaridad: &RORFDVXÀFLHQWHDJXDHQHOYDVRGHFULVWDOVXPHUJHORVGRVSRSRWHV\HOWXER capilar. Observa qué ocurre.
4— Adherencia: Coloca en el vaso de vidrio la leche, devuelve la leche a su recipiente y observa las paredes del vaso. 5— Cohesión:
34
Coloca dos gotas de agua (se puede usar mercurio si se tiene disponible), acércalas hasta que choquen y observa lo que ocurre. Observaciones Ilustra con imágenes tus observaciones. Conclusión
Actividad experimental 2. Densidad, peso específico Propósito: 'HWHUPLQDUODUHODFLyQPDVDYROXPHQ GHQVLGDG GHXQÁXLGRDVt FRPRVXSHVRHVSHFtÀFR
Material
Cantidad
Balanza granataria o de precisión
1
Probeta de vidrio de 100 ml
1
Horchata*
150 ml
Miel*
150 ml
Alcohol*
150 ml
*Material que debe aportar el alumno. Procedimiento: 1— 9HULÀFD TXH OD EDODQ]D HVWp FDOLEUDGD FRORFD OD SUREHWD VREUH OD EDlanza. 2— Afora a cero la balanza y agrega la primera muestra despacio hasta el aforo de 100 ml. 3— Anota la lectura de la balanza, enjuaga la probeta y seca perfectamente. 4— Repite el mismo procedimiento para la miel y el alcohol. 5— Completa el siguiente cuadro anotando los datos obtenidos y los resultados de los cálculos realizados escribiendo el dato faltante, para poder FDOFXODUHOSHVRHVSHFtÀFR
Muestra
Volumen
Masa
(ml)
(g)
Densidad
Dato faltante
Peso específico
Horchata Miel
35
Alcohol Observaciones
Conclusiones
Actividad experimental 3. Principio de Pascal Propósito: Aplicar el principio de Pascal en base al funcionamiento de la prensa hidráulica y conocer los efectos de la presión hidrostática.
Material
Cantidad
Jeringa de plástico de 25 ml
1
Jeringa de plástico de 3 ml
1
Manguera flexible y delgada de 50 cm de longitud
1
Procedimiento: 1— Mide los diámetros del interior de las jeringas. 2— Llena de agua la manguera y la mitad de su capacidad a ambas jeringas. Conecta la manguera y las jeringas y permite la liberación de la burbuja de aire, retirando los émbolos (pistones) de las jeringas. 3— 0RQWDHOH[SHULPHQWRFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD&XLGDTXHODV jeringas mantengan la misma altura durante el experimento.
36
Figura 1.30
1— Empuja cada uno de los pistones y observa. 2— Pesa un objeto (piedra, carrito, borrador, etc.) y colócalo sobre uno de los pistones. Observaciones: 1— ¿Qué pasa cuando presionas con tus dedos sobre el émbolo menor?
2— ¿Qué sucede cuando presionas con tus dedos sobre el émbolo mayor?
3— Si quisieras levantar un objeto con ayuda de la prensa hidráulica ¿dónde lo colocarías? ¿Sobre el émbolo menor o mayor?
Resultados:
Conclusiones
Actividad experimental 4: Principio de Arquímedes
Propósito: Demostrar matemáticamente el principio de Arquímedes.
Material
Cantidad
Pesa de 50 g
1
Dinamómetro
1
Probeta de 500 ml o vaso de precipitado
1
Soporte Universal
1
*Cordón o hilera de 20 cm de longitud
1
Agua
250 ml
*Material que debe aportar el alumno. Procedimiento: 1— Ata la pesa al extremo del cordón y une el extremo libre del cordón al gancho del dinamómetro para determinar su peso en el aire. $QyWDOR9HUÀJXUD D 2— Agrega 250 ml de agua en la probeta o en el vaso de precipitado. 3— Introduce la pesa dentro de la probeta con agua sosteniendo el dinamómetro en el soporte universal y mide su peso. Registra el YDORU9HUÀJXUD E 4— Observa la graduación de la probeta y determina el volumen del líquido desalojado por la pesa. Anota el valor de la medición.
37
38
Figura 1.31
Observaciones
Operaciones matemáticas
Resultados: 1— ¿Cuál es el peso de la pesa en el aire?
2— ¿Cuál fue el peso aparente de la pesa al introducirla en el agua?
39
3— ¿A qué se debe la disminución aparente en el peso?
4— ¿A cuánto equivale el empuje que recibe la pesa?
5— ¿Qué cantidad de agua desalojó la pesa?
Conclusiones:
Actividad experimental 5. Relación entre la presión hidrostática, el gasto, el flujo y el teorema de Torricelli. Propósitos: Ȼ Relacionar la presión hidrostática con el gasto y la velocidad de VDOLGDGHXQÁXLGR Ȼ Determinar la presión a distintas profundidades y relacionarlas con el gasto volumétrico.
Material
Cantidad
Probeta graduada de 500 ml
1
*Envase de cartón de 1 l (bote de leche)
1
*Clavo
1
*Cronómetro
1
*Cinta adhesiva
1
*Regla graduada de 30 cm
1
*Tijera
1
Agua
1l
*Material que debe aportar el alumno. Procedimiento:
40
1— Al envase de cartón se le corta la tapa superior, posteriormente se OHUHDOL]DQWUHVRULÀFLRVGHOPLVPRWDPDxR\DGLIHUHQWHVDOWXUDV utilizando el clavo.
Figura 1.32
2— 0LGHGHVGHODEDVHODDOWXUDDODTXHVHHQFXHQWUDFDGDRULÀFLR\ VXGLiPHWUR7DSDORVRULÀFLRVXWLOL]DQGRODFLQWDDGKHVLYD\OOHQD el envase de cartón con agua hasta su borde superior. 3— Retira una por una la cinta adhesiva y observa cómo es la salida del DJXDHQFDGDRULÀFLRVLJXLHQGRHVWDVLQVWUXFFLRQHV a.
7DSDORVRULÀFLRV\OOHQDHOHQYDVHGHDJXD'HVWDSDHORULÀcio con menor profundidad superior y recibe en una probeta graduada el líquido desalojado en 10 s. Registra tus datos y procede a calcular el gasto.
b.
5HSLWH HO SDVR D 'HVWDSDQGR HO RULÀFLR GHO FHQWUR \ UHFLbiendo con la probeta el líquido desalojado en 10 s. Registra tus datos y procede a calcular el gasto.
c.
5HSLWHHOSDVRD'HVWDSDQGRHORULÀFLRLQIHULRU\UHFLELHQGR con la probeta el líquido desalojado durante 10 s. Registra tus datos y procede a calcular el gasto.
Observaciones:
Resultados: 1— &RQEDVHDODDOWXUDGHFDGDXQRGHORVRULÀFLRVGHOHQYDVHFDOFXODHO valor de la presión hidrostática cuando el envase está totalmente lleno de agua.
41
2— (VFULEHODVIyUPXODVGHJDVWRÁXMR\GHOWHRUHPDGH7RUULFHOOL
3— Completa las siguientes tablas a partir de los datos recabados de tu exSHULPHQWRFRQVLGHUDQGRTXHHODJXDSRVHHXQDGHQVLGDGGHNJ m3 RJFP3. Tabla A Orificio
Volumen
Altura del agujero (m)
a 10 s (m ) 3
Superior Centro Inferior
Tabla B
Presión (Pa) o (N/m2)
Orificio
V
t
Q
F
h
(l)
(s)
(l/s)
(kg/s)
(m)
Velocidad del fluido (agua)
Superior
42 Centro
Inferior
4— ([SOLFDODUHODFLyQTXHH[LVWHHQWUHODYHORFLGDGGHOÁXLGR\ODSURIXQdidad.
5— ¿Cuáles son las aplicaciones domésticas y cotidianas de los conceptos de JDVWRÁXMR\YHORFLGDGGHXQÁXLGR"([SOLFDWXUHVSXHVWD
6— ¿Por qué se reduce el diámetro de las tuberías de agua que están instaladas en tu casa?
Conclusiones:
(m/s)
Actividad experimental 6. Principio de Bernoulli Propósito: Demostrar la aplicación del principio de Bernoulli.
Material
Cantidad
Embudo de 10 cm de diámetro
1
*Pelota de ping pong
1
*Secadora de pelo
1
*Cono de cartón
1
*Rollo de cinta canela
1
*Hilera
1m
*Material que debe aportar el alumno. Procedimiento 1: 1— Coloca un embudo en posición invertida a la toma de agua, sujeWiQGRORFRQODFLQWDFDQHOD9HUÀJXUD 2— Abre la llave del grifo, de forma que salga el chorro de agua de forma continua por el embudo. 3— Coloca la pelota de ping pong en el fondo del embudo y suéltala, observa qué sucede con la pelota en la corriente de agua. 4— Prueba el procedimiento anterior utilizando una pelota de unisel.
43
Figura 1.33
Procedimiento 2: 1— Coloca en forma vertical la secadora de pelo, apuntando hacia arriba, y sitúa la pelota de ping pong en la corriente de aire.
44
Procedimiento 3:
1— $PDUUDODSHORWDGHSLQJSRQJDXQKLORDEUHODOODYHSDUDTXHÁX\DHO DJXD\DFHUFDODSHORWDKDVWDTXHWRTXHHOFKRUURGHDJXD9HUÀJXUD
Figura 1.34
Observaciones del procedimiento 1, 2 y 3:
Conclusiones:
Evaluación de la competencia Después de socializar los resultados de sus aprendizajes, ubica tu nivel de desempeño en la adquisición de las competencias relacionadas con esta sesión con ayuda de tu facilitador, tomando en consideración el cumplimiento de los criterios presentados al inicio de cada sesión.
Criterio
Pre-formal
Inicial-receptivo
(1-2)
(3-4)
Resolutivo (básico) (5-6)
Autónomo
Estratégico
(7-8)
(9-10)
Identifico las características de los fluidos en base a las propiedades de los estados de la materia.
No identifico las Reconozco vagamente Identifico ciertas características de algunas características características de los fluidos en base de los fluidos en base los fluidos en base a las propiedades a las propiedades a las propiedades de los estados de de los estados de la de los estados de la materia. materia. la materia.
Identifico con certeza las características de los fluidos en base a las propiedades de los estados de la materia.
Identifico plenamente y fundamento las características de los fluidos en base a las propiedades de los estados de la materia.
Distingo las diferentes características que poseen los fluidos y aplico la resolución de ejercicios en la vida cotidiana.
No distingo las diferentes características que poseen los fluidos y no aplico la resolución de ejercicios en la vida cotidiana.
Reconozco vagamente Distingo ciertas diferencias en las las diferentes características de características que los fluidos y aplico poseen los fluidos la resolución de y aplico vagamente ejercicios en la la resolución de vida cotidiana. ejercicios en la vida cotidiana.
Distingo con certeza las diferentes características de los fluidos y aplico la resolución de ejercicios en la vida cotidiana.
Distingo y fundamento las diferentes características de los fluidos y aplico la resolución de ejercicios en la vida cotidiana.
Valoro la importancia de las aportaciones científicas relacionadas con los estados de la materia.
No valoro la importancia de las aportaciones científicas relacionadas con los estados de la materia.
Reconozco vagamente el valor de la importancia de las aportaciones científicas relacionadas con los estados de la materia.
Tengo cierta valoración la importancia de las aportaciones científicas relacionadas con los estados de la materia.
Valoro con certeza la importancia de las aportaciones científicas relacionadas con los estados de la materia.
Valoro y fundamento la importancia de las aportaciones científicas relacionadas con los estados de la materia.
No describo las Describo vagamente propiedades físicas las propiedades físicas que caracterizan que caracterizan el el comportamiento comportamiento de los de los fluidos. fluidos.
Describo ciertas propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos.
Describo con certeza las propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos.
Describo y fundamento las propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos.
Describo las propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos.
45
46
Analizo las diferentes propiedades de los fluidos como densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con nuestro entorno.
No analizo las diferentes propiedades de los fluidos como densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con nuestro entorno.
Analizo vagamente las diferentes propiedades de los fluidos como densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con nuestro entorno.
Analizo ciertas diferencias de las propiedades de los fluidos como densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con nuestro entorno.
Analizo con certeza las diferentes propiedades de los fluidos como densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con nuestro entorno.
Analizo y fundamento las diferentes propiedades de los fluidos como densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con nuestro entorno.
Describo el concepto de presión y reconozco sus unidades de medida.
No describo el concepto de presión y reconozco sus unidades de medida.
Describo vagamente el concepto de presión y reconozco sus unidades de medida.
Describo cierto concepto de presión y reconozco sus unidades de medida.
Describo con certeza el concepto de presión y reconozco sus unidades de medida.
Describo y fundamento el concepto de presión y reconozco sus unidades de medida.
Aplico los principios de Arquímedes y de Pascal en situaciones reales y experimentales.
Aplico ciertos Aplico vagamente No aplico los Aplico con certeza Aplico y principios de los principios de principios de los principios de fundamento Arquímedes y de Pascal Arquímedes y Arquímedes y Arquímedes y de Pascal los principios en situaciones reales y de Pascal en de Pascal en en situaciones reales y de Arquímedes experimentales. situaciones reales situaciones reales experimentales. y de Pascal en y experimentales. y experimentales. situaciones reales y experimentales.
Describo las características de los fluidos en movimiento.
No describo las características de los fluidos en movimiento.
Describo vagamente las características de los fluidos en movimiento.
Describo ciertas características de los fluidos en movimiento.
Describo con certeza las características de los fluidos en movimiento.
Analizo ciertos Analizo con certeza Analizo vagamente Analizo los principios de No analizo los los principios de la principios de la los principios de la la masa y energía para principios de la masa y energía para masa y energía para masa y energía obtener la ecuación masa y energía de gasto, continuidad y para obtener la obtener la ecuación de para obtener la obtener la ecuación de Bernoulli. ecuación de gasto, gasto, continuidad y ecuación de gasto, gasto, continuidad y Bernoulli. Bernoulli. continuidad y continuidad y Bernoulli. Bernoulli.
Describo y fundamento las características de los fluidos en movimiento. Analizo y fundamento los principios de la masa y energía para obtener la ecuación de gasto, continuidad y Bernoulli.
Utilizo los modelos matemáticos para resolver problemas relacionados con gasto, flujo, ecuación de continuidad y Bernoulli en la solución de problemas prácticos.
No utilizo Utilizo vagamente Utilizo algunos Utilizo con certeza los modelos los modelos modelos los modelos matemáticos para matemáticos para matemáticos para matemáticos para resolver problemas resolver problemas resolver problemas resolver problemas relacionados con relacionados relacionados con relacionados gasto, flujo, ecuación con gasto, flujo, gasto, flujo ecuación con gasto, flujo, de continuidad ecuación de de continuidad ecuación de y Bernoulli en la continuidad y y Bernoulli en la continuidad y solución de problemas Bernoulli en solución de problemas Bernoulli en prácticos. la solución prácticos. la solución de problemas de problemas prácticos. prácticos.
Aprecio la importancia de los diferentes modelos matemáticos y los de Bernoulli en aplicaciones de la vida cotidiana.
No aprecio la Aprecio vagamente importancia de los la importancia de los diferentes modelos diferentes modelos matemáticos y los matemáticos y los de Bernoulli en de Bernoulli en aplicaciones de la aplicaciones de la vida vida cotidiana. cotidiana.
Utilizo y fundamento los modelos matemáticos para resolver problemas relacionados con gasto, flujo, ecuación de continuidad y Bernoulli en la solución de problemas prácticos.
Tengo cierto Aprecio con certeza Aprecio y aprecio a la la importancia de los fundamento la diferentes modelos importancia de importancia de matemáticos y los los diferentes los diferentes de Bernoulli en modelos modelos matemáticos y los aplicaciones de la vida matemáticos y los de Bernoulli en cotidiana. de Bernoulli en aplicaciones de la aplicaciones de vida cotidiana. la vida cotidiana.
47
48
49
Bloque II. Distingue entre calor y temperatura Unidad de competencia Analiza las formas de intercambio de calor entre los cuerpos, las leyes que rigen la transferencia del mismo y el impacto que éste tiene en el desarrollo de la tecnología en la sociedad. Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemátiFDVRJUiÀFDV 6LJXH LQVWUXFFLRQHV \ SURFHGLPLHQWRV GH PDQHUD UHÁH[LYD FRPSUHQGLHQGR cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. ,GHQWLÀFDORVVLVWHPDV\UHJODVRSULQFLSLRVPHGXODUHVTXHVXE\DFHQDXQDVHULH de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. (OLJHODVIXHQWHVGHLQIRUPDFLyQPiVUHOHYDQWHVSDUDXQSURSyVLWRHVSHFtÀFR\ GLVFULPLQDHQWUHHOODVGHDFXHUGRDVXUHOHYDQFLD\FRQÀDELOLGDG 5HFRQRFHORVSURSLRVSUHMXLFLRVPRGLÀFDVXVSURSLRVSXQWRVGHYLVWDDOFRQRFHU nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 'HÀQHPHWDV\GDVHJXLPLHQWRDVXVSURFHVRVGHFRQVWUXFFLyQGHFRQRFLPLHQWRV 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, GHÀQLHQGRXQFXUVRGHDFFLyQFRQSDVRVHVSHFtÀFRV 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de maQHUDUHÁH[LYD 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
&RPSHWHQFLDVGLVFLSOLQDUHVEiVLFDVGHOFDPSRGHODVFLHQFLDVH[SHULPHQWDOHV Ȼ Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y HODPELHQWHHQFRQWH[WRVKLVWyULFRV\VRFLDOHVHVSHFtÀFRV Ȼ Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Ȼ ,GHQWLÀFDSUREOHPDVIRUPXODSUHJXQWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFR\SODQWHD las hipótesis necesarias para responderlas. Ȼ Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a pregunWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFRFRQVXOWDQGRIXHQWHVUHOHYDQWHV\UHDOL]DQGR experimentos pertinentes. Ȼ Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Ȼ Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenóPHQRVQDWXUDOHVDSDUWLUGHHYLGHQFLDVFLHQWtÀFDV Ȼ ([SOLFLWDODVQRFLRQHVFLHQWtÀFDVTXHVXVWHQWDQORVSURFHVRVSDUDODVRlución de problemas cotidianos Ȼ Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nocioQHVFLHQWtÀFDV Ȼ Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesiGDGHVRGHPRVWUDUSULQFLSLRVFLHQWtÀFRV Ȼ Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modeORVFLHQWtÀFRV Ȼ Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
Dinamización
52
Durante este bloque presentaremos los conceptos de calor y temperatura, las unidades de medida para cada magnitud, las escalas de temperatura y las converVLRQHVHQWUHHOODV LGHQWLÀFDUHPRVODVIRUPDVGHSURSDJDFLyQ\ORVIHQyPHQRVGH GLODWDFLyQTXHVXIUHQORVFXHUSRVSRULQÁXHQFLDGHOFDORU5HVROYHUHPRVSUREOHPDV relacionados con la temperatura y el calor analizando los procesos de transferenFLDGHODHQHUJtDFRQVLGHUDQGRHOFDORUHVSHFtÀFRGHFDGDVXVWDQFLD\ODPDVDTXH poseen los cuerpos que intervienen en él. 'HVSXpVGHHVWHHVWXGLRSRGUHPRVLGHQWLÀFDUDOJXQDVYHQWDMDV\GHVYHQtajas de la aplicación del calor y la temperatura en nuestra vida diaria, desde las condiciones ambientales por efecto de la temperatura, hasta la utilización de los procesos de transferencia de calor en algunos equipos y aparatos de uso cotidiano TXHORDSURYHFKDQFRPRIRUPDGHHQHUJtDFRQHOÀQGHYDORUDUHOLPSDFWRGHOD ciencia y la tecnología para favorecer nuestra calidad de vida. Este es un ejemplo: el día de su cumpleaños, Juan estaba calentando agua en la estufa para bañarse, y metía su mano en el recipiente para ver si ya tenía la temperatura adecuada, en eso llegó su papá con el hielo para los refrescos y le pidió a Juan que lo ayudara. Después de colocar el hielo en la nevera, vuelve a introducir la mano en el recipiente y siente que el agua ya está lista. Cuando entra a bañarse y se vierte el agua encima, se da cuenta que aún está muy fría. ¿Por qué crees que le ocurrió esto a Juan? ¿El agua realmente estaba lista para usarla y se HQIUtRPX\UiSLGR"¢7HQGUiDOJRGHLQÁXHQFLDHOKDEHUWRFDGRDQWHVHOKLHOR"
Contextualización
La temperatura y el calor en nuestras vidas Cuando asistes a un baile escolar por la noche, te habrás dado cuenta que aunque ésta sea un poco fría, si estamos bailando, nuestro cuerpo aumenta su temperatura y sentimos calor, y cuando hay más chavos en la pista la sensación es aún mayor. ¿Cómo se llama el proceso por el cual se transmite el calor corporal en este caso? ¿Qué pasaría si salimos a la intemperie? ¿Cómo sería la temperatura fuera del local? Figura 2.1 Las personas cuando bailan, desprenden calor de su cuerpo debido a que el movimiento provoca un gasto de energía, y ésta se pierde en forma de calor.
8QDIRUPDHQTXHVHPDQLÀHVWDODHQHUJtDHVHOFDORU(QQXHVWUD YLGDGLDULDSRGHPRVLGHQWLÀFDUODHQHOFOLPDGHODFLXGDGDOHQFHQGHUXQD estufa para cocer los alimentos, para calentar agua, algunos aparatos la uti-
lizan para su funcionamiento, como los calentadores, los tostadores, o simplemente aquellos que cuando son utilizados desprenden pequeñas cantidades de energía en forma de calor, como la televisión, la computadora, los UHIULJHUDGRUHV\ORVDXWRPyYLOHV,QFOXVRQXHVWURFXHUSRPDQLÀHVWDJDQDQFLD y pérdida de esta energía; por ejemplo, si estamos en un lugar frío, nuestro cuerpo pierde calor teniendo esa sensación de frío, y si nos encontramos en un lugar caliente, como en nuestra ciudad, entonces se absorbe energía y sentimos calor. Si tu cuerpo está en equilibrio con la temperatura del amELHQWHQRPDQLÀHVWDVHQVDFLyQGHFDORURIUtRSHURVLDOJ~QIHQyPHQRKDFH que se pierda ese equilibrio, entonces nos acaloramos o nos enfriamos.
53
Recordemos que la fricción es un fenómeno que desprende calor no aprovechable, debido a que las partículas que están en contacto pierden energía cinética. En binas hagamos una prueba muy sencilla, frotemos las palmas de nuestras manos vigorosamente hasta que las sintamos calientes: se incrementa la temperatura. 7RPHPRVGHOEUD]RDQXHVWURFRPSDxHURFRQQXHVWUDVSDOPDVVHQWLUHmos que está muy frío, pero él o ella sentirá nuestras manos muy calientes, esto es porque el calor se transmite de nuestras manos que tienen mayor temperatura al brazo de nuestro compañero que tiene menor temperatura, manifestando así la VHQVDFLyQGHFDORURIUtR ÀJXUD 3HUR¢GHTXpIRUPDVHUHODFLRQDQODWHPSHratura y el calor?, ¿acaso es lo mismo? Activemos ahora los saberes que has desarrollado en el pasado, para ponerte en contexto. I.
Responde el siguiente cuestionario en forma breve. Compara las respuestas con tus compañeros de clase: 1— ¿Qué entiendes por temperatura?
2— ¿Qué instrumento utilizas para medir la temperatura?
3— ¿Qué entiendes por calor?
4— ¿Qué instrumento utilizas para medir calor?
5— ¿Qué escala de temperatura utilizamos en México?
Figura 2.2 Frotarse las manos provoca fricción entre ellas y, por consiguiente, pérdida de energía cinética, manifestándose en forma de calor y dando sensaciones de calor y frío.
6— Menciona las formas en que se propaga el calor.
7— Si se calienta un cuerpo sólido, ¿qué le ocurre cuando aumenta la temperatura?
54 8— ¿A qué temperatura se congela el agua?
9— Escribe la expresión matemática para convertir temperaturas de la escala Celsius a la escala Kelvin.
10— En la televisión por cable, reportan la temperatura para Mérida en 98ºF. ¿A qué temperatura corresponde en la escala Celsius?
Problematización
Figura 2.3 La temperatura es un fenómeno físico que provoca los cambios climáticos en el planeta.
El calentamiento global es un fenómeno fíVLFRTXHVHPDQLÀHVWDFRQDXPHQWRGHWHPSHUDWXUDHQOD7LHUUD(OH[FHVRGHFDORUJHnerado por los rayos del sol cuando llegan a la corteza terrestre y los provocados por la utilización de los automóviles, las ciudades, IiEULFDV\ODLQÁXHQFLDGHODJHQHUDFLyQGH gases que provocan el efecto invernadero, ha generado un aumento de temperatura en el planeta provocando cambios climáticos extremos, como la sequía, las inundaciones, ciclones tropicales de gran fuerza, )LJXUD,PDJHQGHOHVWDGRGH7DEDVFRLQXQdado por el exceso de lluvia durante 2008. el deshielo de los polos y el aumento del nivel del mar en las costas. Pero, ¿por qué el aumento de temperatura provoca todos estos fenómenos?, ¿cómo se relaciona con el calor?, ¿de qué forma puedes prevenir que el planeta siga aumentando su temperatura? Para poder entender estos fenómenos es necesario primero que poGDPRVGHÀQLUORVWpUPLQRVGHWHPSHUDWXUD\FDORU\UHODFLRQDUORVVDEHUFyPRVH propagan en el ambiente, de esa forma podremos encontrar la manera de minimi]DUODVHPLVLRQHVGHODHQHUJtDFDORUtÀFDSDUDFRQWUDUUHVWDUORVHIHFWRVHQQXHVWUR planeta y mantener por más tiempo nuestra calidad de vida.
Sesión A: La temperatura, sus escalas y los fenómenos de dilatación Desarrollo de saberes
55
Del saber: Ȼ ,GHQWLÀFR ORV FRQFHSWRV GH FDORU \ WHPSHUDWXUD D SDUWLU GH OD energía cinética promedio que posee la materia y reconozco las escalas de temperatura usadas para su medición. Del saber hacer: Ȼ Diferencio el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, interpretando valores y resolviendo ejercicios. Ȼ Relaciono la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos y utilizo los modelos matemáticos, sus unidades y establezco la equivalencia entre ellos. Del saber ser: Ȼ Valoro la importancia del calor y la temperatura, sus efectos sobre los cuerpos, para comprender las condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
Desarrollo de saberes
?
¿¡Cómo se define la temperatura? Manuel no vino a clases el día de hoy porque tiene una infección en la garganta, su mamá vino a la escuela para entregar sus trabajos del día y comentó en la dirección TXHWHQtDÀHEUHFRQXQDWHPSHUDWXUDGH&¢&yPRVHGHÀQHODWHPSHUDWXUD" /DWHPSHUDWXUDHVXQDXQLGDGGHPHGLGDItVLFDFODVLÀFDGDFRPR IXQGDPHQWDO\PDQLÀHVWDHQQXPHURVRVIHQyPHQRVHQHOTXHHVWiLQYROXcrada la materia. La temperatura nos indica qué tan caliente o frío está un cuerpo o sustancia, debido a la energía cinética promedio que poseen sus moléculas. Se mide con el termómetro, instrumento que permite comparar la temperatura de un cuerpo con la de él mismo, indicando mediante una escala graduada, la energía cinética promedio que posee. El termómetro absorbe o pierde calor y se iguala a la temperatura que posee el cuerpo que se mide, de esa forma ambos quedan en equilibrio térmico, es decir, mantienen la misma energía cinética y por tanto la misma temperatura. Cuando nos enfermamos medimos nuestra tempeUDWXUDSDUDYHUVLKDVLGRPRGLÀFDGDDGHPiVFRQODXWLOL]DFLyQGHWHUPyPHWURV podemos graduar los refrigeradores y los hornos para cocinar.
Figura 2.5 Fotografía del HVWDGRGH7DPDXOLSDVTXH PDQLÀHVWDVHTXtDGXUDQWH casi todo el año debido a la falta de lluvia y la desforestación de las zonas.
56
Figura 2.6 El termómetro de mercurio es el instrumento que nos permite medir la temperatura. Se basa en las propiedades físicas del mercurio y del vidrio, ya que cuando se calientan, el mercurio aumenta su volumen con mucha facilidad y sube a través de un capilar dentro del tubo de vidrio que se expande muy poco.
Actividad de aprendizaje 1 Formen grupos de tres integrantes y plasmen en su libreta los resultados de una investigación en internet o en libros de Física, sobre los tipos de termómetros que existen, considerando los siguientes puntos: nombre del termómetro, rango de temperatura que puede medir, materiales de fabricación e imágenes.
?
¡ Qué es el calor? En el verano pasado, Yolanda y su familia fueron al puerto para disfrutar un día de playa, pero se pronosticaba una temperatura cercana a los 40°C. La mamá de Yolanda, preocupada por el calor que pudiera haber, sobre todo para su hermanito, consideró llevar muchos refrescos, agua y una sombrilla grande para protegerse del sol y del calor. ¿Sabes qué es el calor? (OFDORUVHGHÀQHFRPRODFDQWLGDGWRWDOGHHQHUJtDFLQpWLFDTXH posee un cuerpo y que puede moverse hacia otro. Sólo puede hacerlo del cuerpo que está más caliente (con mayor temperatura) al que está más frío PHQRUWHPSHUDWXUD 6HWUDQVÀHUHGHWDOIRUPDTXHODHQHUJtDHQORVFXHUpos llega a igualarse y entran a un equilibrio térmico.
Actividad de aprendizaje 2 Elabora un cuadro comparativo en tu libreta, señalando las diferencias entre calor y temperatura.
Escalas de temperatura /DV HVFDODV GH WHPSHUDWXUD PiV XWLOL]DGDV \ GHÀQLGDV GH DFXHUGR D XQD HVFDOD marcada son: Celsius, Fahrenheit, Kelvin y Rankin. En las noticias de cable, la temperatura de Estados Unidos se mide en la escala Fahrenheit y es común escuchar hacer referencia a estos valores, pero ¿por qué en el país vecino utilizan esta escala? La escala Fahrenheit fue ideada por el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), quien utilizó como punto ÀMRLQIHULRUODWHPSHUDWXUDGHDJXDFRQJHODGDFRQVDO\FORUXURGHDPRQLDFRDOD FXDOOHDVLJQyHOYDORUGHFHUR3RVWHULRUPHQWHGHWHUPLQyXQSXQWRÀMRVXSHULRU tomando como referencia la temperatura del cuerpo humano, asignándole un valor de 98. Para alcanzar la temperatura de ebullición del agua, su escala muestra un valor de 212°F. Así su escala quedó determinada en 180 partes iguales. Por el contrario, en nuestro país vemos los informes meteorológicos de la televisión en la escala Celsius. Ésta fue diseñada por el físico y astrónomo sueco $QGHUV&HOVLXV TXLHQXWLOL]yFRPRSXQWRÀMRLQIHULRUHODJXDFRQJHODGDDVLJQiQGROHHOYDORUGHFHUR\HOSXQWRÀMRVXSHULRUORGHWHUPLQyFRQHOSXQWR de ebullición del agua marcándolo con el número 100. Así su escala quedó dividida en 100 partes iguales, a las que se le llamó grado centígrado. La relación entre la escala Celsius y la escala Fahrenheit es:
6LPSOLÀFDQGRODHFXDFLyQQRVTXHGD
Si queremos encontrarlos grados en la escala Fahrenheit, entonces:
El físico británico Lord Kelvin, cuyo nombre era William Thomson (18241907), propuso una escala donde el cero se le asigna a la temperatura más baja posible, en donde las partículas no poseen nada de energía cinética, por lo que se le conoce como escala absoluta, la temperatura más baja posible se denomina como cero absoluto. El tamaño de cada unidad corresponde al mismo tamaño que en la escala Celsius. En esta escala no hay números negativos.
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En Estados Unidos aún no adoptan la escala propuesta por el Sistema Internacional de Unidades.
Relacionando la escala Celsius con la escala Kelvin nos queda: o bien,
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“Bajo cero”: término utilizado en la escala Celsius y Fahrenheit para asignar valores negativos de temperatura.
La escala Rankin representa el cero absoluto en unidades de tamaño idénticas a los grados Fahrenheit, fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William John Macquorn Rankine (1820-1872). El valor del cero absoluto en la escala Rankin corresponde a -460 °F.
Actividad de aprendizaje 3 7RPDQGRFRPREDVHODLQIRUPDFLyQGHODOHFWXUDGLEXMDFXDWURWHUPyPHWURVHQWX OLEUHWD5HSUHVHQWDHQFDGDXQRHOYDORUGHOSXQWRÀMRLQIHULRU\HOGHOSXQWRÀMR superior de cada escala de temperatura.
Conversiones entre las escalas de temperatura Aplicando las ecuaciones matemáticas descritas anteriormente, es muy sencillo intercambiar los valores de una escala a otra, por ello ahora analizaremos algunos ejemplos para realizar las conversiones entre las escalas de temperatura.
Problemas resueltos 1— Para la ciudad de Mérida, se pronostica una temperatura de 33°C. Determina la temperatura en la escala Fahrenheit y Kelvin. Solución: a) Conversión de °C a °F: Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
b) Para convertir a la escala Kelvin se tiene: Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
2— La leche se calienta hasta alcanzar una temperatura de 88°F. ¿Qué temperatura marcarán los termómetros en la escala Celsius y Kelvin?
a– Para convertir a la escala Celsius: Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
59
b– Conversión a la escala Kelvin: Para la escala Kelvin: Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
Actividad de aprendizaje 4 Resuelve correctamente en tu libreta los siguientes ejercicios de conversiones de temperatura. 1— Un platero de la ciudad de Mérida funde una esclava de oro a 1336.15 K. Determina la temperatura en la escala Celsius y Fahrenheit. 2— Pedro calienta el agua para bañarse y alcanza una temperatura de 60° C. ¿Qué temperatura marcará el termómetro en la escala Fahrenheit? 3— En el laboratorio de Física, se mide la temperatura del alcohol etílico con un termómetro marcando 172.4°F. Calcula temperatura en la escala Celsius. 4— 6HJ~QODVUHYLVWDVFLHQWtÀFDVODWHPSHUDWXUDGHOFXHUSRKXPDQRHQODHVcala absoluta Kelvin mide 309.5 K. Determina la temperatura en la escala Fahrenheit.
Dilatación de los cuerpos 0DUFR HV XQ KHUUHUR UHDOL]D SXHUWDV GH PHWDO SDUD IiEULFDV \ FiPDUDV IULJRUtÀcas para supermercados. En la primera ocasión que construyó una puerta para un cuarto frío, después de colocarla ésta se contrajo, dejando un margen sin cubrir de aproximadamente 0.03 cm por lado. Según Marco, había medido correctamente el área de la abertura donde colocaría la puerta. Después de un análisis detallado de los errores que pudo cometer al medir las dimensiones de la puerta, llegó a una conclusión: la puerta la elaboró en su taller donde la temperatura promedio era de 38 °C, y al colocarla en el cuarto frío, la temperatura promedio era de 4°C, por lo que la puerta sufrió una pequeña contracción en su tamaño. ¿Crees que esto sea posible? ¿Qué relación tendrá la temperatura con la que Marco trabajó y la tempeUDWXUDDODTXHSHUPDQHFHODSXHUWD"¢&UHHVTXHHVWRKD\DVLGRXQDMXVWLÀFDFLyQ para que Marco no se responsabilice de la elaboración de la puerta?
60
Figura 2.7 En la imagen se observa una puerta del cuarto frío que Marco tuvo que reparar porque al cambiar la temperatura se contrajo algunos centímetros.
Este fenómeno se conoce como dilatación, está estrechamente relacionado con la variación de la temperatura de los cuerpos. Las moléculas de un cuerpo se mantienen unidas mientras la energía que poseen no varíe, si la temperatura aumenta, las moléculas se separan por la variación en la cantidad y amplitud de los choques entre ellas. Los sólidos sufren dilatación aumentando su longitud principalmente, otros aumentan en dos de sus dimensiones, y los líquidos y gases aumentan su volumen. Cuando la temperatura disminuye, el fenómeno es al contrario: se contraen debido a que las moléculas se acercan entre ellas por pérdida de energía cinética. Los gases se dilatan más que los líquidos y los líquidos se dilatan más que los sólidos. Ahora analizaremos cada uno de estos fenómenos por separado.
Dilatación lineal Los cuerpos sólidos como alambres, varillas y barras de metal, cuando se utilizan SDUDODFRQVWUXFFLyQGHSXHQWHVHVWUXFWXUDVGHHGLÀFLRV\HQODVFDVDVDODXPHQtarles su temperatura sufren un aumento en su longitud, este fenómeno se conoce como dilatación lineal. Figura 2.8 Este alambre ha sido calentado para utilizar en soldadura. Como ves, puede dilatarse; incluso si la temperatura es muy elevada, se funde.
Cuando a los sólidos, con una longitud inicial de un metro, se les aumenta 1°C su temperatura, varían en su longitud de manera constante. A esta cantidad VHOHFRQRFHFRPRFRHÀFLHQWHGHGLODWDFLyQOLQHDO(VWHFRHÀFLHQWHGHGLODWDFLyQ OLQHDO HV HVSHFtÀFR SDUD FDGD VXVWDQFLD 7DEOD \ VH UHSUHVHQWD FRQ OD OHWUD griega D. Para calcular la dilatación lineal de un cuerpo sólido se utiliza la ecuación:
61 &RPR ODV FDQWLGDGHV GHO FRHÀFLHQWH GH GLODWDFLyQ VRQ FRQVWDQWHV \ VH H[SUHVDQHQWDEODVSRGHPRVGHVSHMDUODHFXDFLyQSDUDFDOFXODUODORQJLWXGÀQDO del cuerpo.
Valores del coeficiente de dilatación lineal Sustancia
D (10-6°C-1)
Sustancia
D(10-6°C-1)
Hormigón
12
Aluminio
25
Acero
11-12
Latón
19
Hierro
11.6
Poliestireno
85
Madera, en dirección paralela a las fibras
32-66
Vidrio Pyrex
3
Granito
8
Vidrio ordinario
9
Ladrillo
9
Agua
316.6
Hormigón
12
Gasolina
366.6
7DEOD&RHÀFLHQWHVGHGLODWDFLyQOLQHDO
Para aplicar la expresión matemática de la dilatación lineal, resolveremos un ejercicio. Marco, el herrero, debe calentar una barra de hierro para la base de una puerta que mide 5 m de ancho; la barra se encuentra a 15°C. ¿Cuál será la longitud de la barra al aumentar la temperatura a 25°C? Determina cuánto se dilató la barra. a– 3DUDFDOFXODUODORQJLWXGÀQDOWHQGUHPRV Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
b– Para calcular la variación de la longitud en la barra, debemos aplicar la siguiente fórmula:
62
Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
Actividad de aprendizaje 5 En tu libreta, resuelve correctamente los siguientes ejercicios, puedes formar equipo con un compañero. 1— José diseñó un riel de tren para el proyecto de ciencias. Deberá exponerlo en la cancha del colegio, por lo que debe calcular la distancia de separación entre cada barra de hierro, para evitar que se pueda dilatar en exceso y no se pueda formar correctamente la vía. Si la temperatura adquirida por la barra tras la exposición al sol es cercana a 78°C, la longitud de cada barra es de 70 cm y la temperatura de la habitación donde está armando el riel tiene 27°C, ¿cuánto medirá cada barra después de exponerse al sol? ¿Qué distancia mínima deberá dejar José entre una barra y otra? 2— En el congelador se queda olvidado un punzón de acero, la temperatura del FRQJHODGRUHVGH&-XDQTXLHUHKDFHUOHXQKR\RDVXFKDQFODSDUDÀMDU una cuerda, pues se le había roto, cuando saca del refrigerador el punzón, comienza a calentarlo directo en la estufa, que alcanza una temperatura de 108°C. Si la longitud inicial era de 30 cm, ¿cuánto medirá la longitud del punzón? ¿Cuánto varía la longitud? 3— Durante las noches de invierno, la barra de aluminio que sostiene un letrero en el jardín sufre un enfriamiento, ya que la temperatura de todo el día es de aproximadamente 40°C y por las noches es de 20°C. Si en la mañana la barra mide 1.2 m, ¿qué longitud tiene en la noche? 4— En el tostador de pan, los alambres que sostienen las rebanadas miden 25 cm cuando tienen 90°C. Si se dejan enfriar hasta 30°C, ¿qué longitud presentan los alambres cuando no se usan?
Dilatación superficial Los herreros utilizan este fenómeno para adelgazar o estirar barras que utilizan para rejas y puertas y en otros cuerpos sólidos como las láminas de zinc utilizadas para techar las casas. Al aumentarles su temperatura sufren un aumento en su iUHD HVWHIHQyPHQRVHFRQRFHFRPRGLODWDFLyQVXSHUÀFLDO
63
Figura 2.9 Las láminas de los techos de las casas por la exposición prolongada al sol, sufren dilatación VXSHUÀFLDO
Cuando a los sólidos con un área inicial de un metro cuadrado se les aumenta 1°C su temperatura, varían en su área de manera constante, a esta canWLGDGVHOHFRQRFHFRPRFRHÀFLHQWHGHGLODWDFLyQVXSHUÀFLDO(VWHFRHÀFLHQWHGH GLODWDFLyQVXSHUÀFLDOHVHVSHFtÀFRSDUDFDGDVXVWDQFLD 7DEOD \VHUHSUHVHQWD FRQODOHWUDJULHJDŠ(QFDVRGHQRFRQRFHUHOFRHÀFLHQWHGHGLODWDFLyQVXSHUÀFLDO puede calcularse a partir de la siguiente relación:
3DUD FDOFXODU OD GLODWDFLyQ VXSHUÀFLDO GH XQ FXHUSR VyOLGR VH XWLOL]D OD ecuación:
&RPR ODV FDQWLGDGHV GHO FRHÀFLHQWH GH GLODWDFLyQ VRQ FRQVWDQWHV \ VH H[SUHVDQHQWDEODVSRGHPRVGHVSHMDUODHFXDFLyQSDUDFDOFXODUODVXSHUÀFLHÀQDO del cuerpo.
64
Valores del coeficiente de dilatación superficial Sustancia
2D (10-6°C-1)
Sustancia
2D (10-6°C-1)
Hormigón
24
Aluminio
50
Acero
22-24
Latón
38
Hierro
23.2
Poliestireno
170
7DEOD(MHPSORVGHFRHÀFLHQWHVGHGLODWDFLyQVXSHUÀFLDOGHDOJXQRVVyOLGRV&RPRSXHGHVREVHUYDU el valor sólo se multiplica por dos.
Ahora resolveremos un ejercicio para aplicar las expresiones matemátiFDVGHODGLODWDFLyQVXSHUÀFLDO Ejemplo: La mamá de Rosy tiene una taquería y la plancha donde asa la carne es de hierro, en forma rectangular. Cuando está fría queda desnivelada con la base que la soporta, pero al calentarse se dilata y se acomoda perfectamente sobre dicha base. La temperatura con la que cocina la carne alcanza los 125°C y la temperatura del ambiente es de 38°C. Si a la temperatura ambiente la plancha, mide 1 m uP¢FXiQWRPLGHODVXSHUÀFLHGHODSODQFKDDODWHPSHUDWXUDFRQ que se cocina la carne? a– Primero debemos calcular el área de la plancha que es rectangular, a partir de las dimensiones proporcionadas. Datos
Fórmula
Calculo del área y sustitución en fórmula
Resultado
b– $FRQWLQXDFLyQVHFDOFXODODORQJLWXGÀQDOGHODSODQFKDGHFDOHQWDPLHQWR Datos
Fórmula
Calculo del área y sustitución en fórmula
Resultados
Si quisiéramos saber la variación del área, podemos utilizar la expresión:
65
Actividad de aprendizaje 6 'HIRUPDLQGLYLGXDOUHVXHOYHFRUUHFWDPHQWHORVVLJXLHQWHVHMHUFLFLRV$OÀQDOL]DU resuélvelos en plenaria con tu facilitador y compañeros. 1— /DSODFDGHFREUHTXHLGHQWLÀFDODGLUHFFLyQGHODFDVDGH$QDWLHQH un área de 0.08 m2 cuando está a 50°C. Esta temperatura la alcanza por la exposición directa al sol, por las noches la temperatura es de &¢&XiQWRPLGHODVXSHUÀFLHDHVWDWHPSHUDWXUD"¢&XiQWRYDUtDOD VXSHUÀFLH" 2— En casa de Daniel están construyendo un cuarto nuevo que techarán con láminas de zinc; si cada lámina mide 2.5 m u 70 cm, a 25°C, ¿qué VXSHUÀFLHWHQGUiQVLVHFDOLHQWDFRQHOVROD&" 3— La puerta que da al patio de la casa de Javier le da el sol directo todo el día, por lo que cuesta trabajo abrirla, ya que a esas horas su superÀFLHPLGHP2 a 59°C, pero por las noches, cuando la temperatura desciende a 22°C, se abre con facilidad. ¿Cuál es la longitud que tiene a la temperatura de la noche?
Dilatación volumétrica Estefany ayudaba a su mamá a preparar chocolate caliente, para cenar con pan en una noche fría. Su mamá le pide que coloque la leche en la estufa para calentarla, pero le dice que la vigile para que no se derrame, Estefany se distrae viendo la televisión y cuando se acuerda del encargo, la leche se había derramado toda. ¿Por TXpVHGHUUDPDODOHFKHVLWHQtDHVSDFLRVXÀFLHQWHHQHOUHFLSLHQWH" 7anto los sólidos como los líquidos y gases, al aumentarles su temperatura sufren un aumento en su volumen, este fenómeno se conoce como dilatación volumétrica. Cuando a las sustancias con un volumen inicial de un metro cúbico se les aumenta 1°C su temperatura, varían su volumen de manera constante, a esta FDQWLGDGVHOHFRQRFHFRPRFRHÀFLHQWHGHGLODWDFLyQYROXPpWULFD(VWHFRHÀFLHQWH GH GLODWDFLyQ YROXPpWULFD HV HVSHFtÀFR SDUD FDGD VXVWDQFLD 7DEOD \ VH UHpresenta con la letra griega Š(QFDVRGHQRFRQRFHUHOFRHÀFLHQWHGHGLODWDFLyQ volumétrica, puede calcularse a partir de la siguiente relación:
Figura 2.10 La leche, al calentarse, si no se vigila se derrama: está sufriendo una dilatación volumétrica.
Para calcular la dilatación volumétrica de una sustancia se utiliza la ecuación:
66
&RPR ODV FDQWLGDGHV GHO FRHÀFLHQWH GH GLODWDFLyQ VRQ FRQVWDQWHV \ VH H[SUHVDQHQWDEODVSRGHPRVGHVSHMDUODHFXDFLyQSDUDFDOFXODUHOYROXPHQÀQDO del cuerpo.
Valores del coeficiente de dilatación volumétrica 3D (10-6°C-1)
Sustancia
3D(10-6°C-1)
Hormigón
36
Aluminio
75
Acero
33-66
Latón
57
Hierro
35
Poliestireno
255
Vidrio Pyrex
9
Sustancia
Madera, en dirección paralela a las fibras Granito
24
Vidrio ordinario
27
Ladrillo
27
Agua
950
Hormigón
36
Gasolina
1100
7DEOD&RHÀFLHQWHVGHGLODWDFLyQYROXPpWULFDGHDOJXQRVVyOLGRV
9DPRVDHMHPSOLÀFDUODUHVROXFLyQGHHMHUFLFLRVGHGLODWDFLyQYROXPpWULFD Yanesly colocó un litro de alcohol etílico (vino blanco) en la estufa para calentarlo, ya que prepararía la cena de navidad; el alcohol estaba a 15°C. Después de unos minutos, midió la temperatura y el termómetro marcó 85°C. Determina cuánto varía el volumen de alcohol. a– Primero debemos convertir el volumen de alcohol de litros a metros cúbicos. Datos
Conversión de volumen
Resultados
b– $FRQWLQXDFLyQVHFDOFXODHOYROXPHQÀQDOGHODOFRKRO Datos
Fórmula
Calculo del área y sustitución en fórmula
Resultados
67
Actividad de aprendizaje 7 En tu libreta y de forma individual resuelve correctamente los siguientes ejercicios. 1— Juan tiene un tanque con 10000 cm3 de gasolina. Está almacenado a 20°C, si la temperatura del ambiente aumenta a 33° C, ¿cuánto aumenta su volumen? 2— En el laboratorio escolar se colocan 250 ml de alcohol etílico a 25°C; para calentar hasta 60°C, ¿cuánto varía su volumen? 3— La ventana de aluminio de la cafetería escolar tiene un volumen de 850 cm3 cuando le da el sol y la temperatura que alcanza es de 60°C. Si se HQIUtDD&¢TXpYROXPHQÀQDOWLHQH" 4— En una fábrica se calienta el vidrio hasta alcanzar una temperatura de 99°C. Si a 30°C ocupa un volumen de 700 cm3, ¿qué volumen tiene después del calentamiento?
Dilatación irregular del agua ¢7HKDWRFDGRDOJXQDYH]VDFDUKLHORGHODQHYHUDSHURQRWHDYLVDQTXHQRWLHQH mucho rato que lo pusieron a congelar? Al verter el molde se derrama parte del OtTXLGRSXHVDXQTXHSRUHQFLPD\DHVWDEDFRQJHODGRQRVHKDEtDVROLGLÀFDGRHQ su totalidad. Esta propiedad del agua que es poco común, se conoce como dilatación irregular. Esta propiedad permite al agua un aumento en su volumen cuando la temperatura decrece de 4°C a 0°C. De manera natural todas los demás líquidos se contraen cuando disminuye la temperatura, pero el agua no lo hace. A 4°C el agua tiene su volumen mínimo y su densidad máxima. Eso provoca que el agua a esa temperatura tienda a irse al fondo y sólo una parte se congela. En el medio ambiente favorece la supervivencia de las especies acuáticas, ya que al tener meQRUGHQVLGDGHOKLHORÁRWDFRQJHODQGRVyORODVXSHUÀFLHGHODJRVRPDUHV\HQHO fondo, se mantiene el agua a 4°C.
68
Figura 2.11 El agua sufre una dilatación irregular de entre 4°C y °0°C, manteniendo así la vida marina.
Síntesis Resuelve el siguiente caso, contestando correctamente las cuestiones que se presentan. En casa de Mari compraron un boiler de fabricación estadounidense, para ella es difícil comprender la temperatura máxima a la que se calienta el agua. El boiler marca una temperatura máxima de 178°F y tiene una capacidad de 20 l. Ayuda a Mari a resolver sus interrogantes. 1— ¿A qué temperatura equivale en grados Celsius la temperatura máxima señalada en el boiler? 2— Mari quisiera saber también la temperatura en la escala Kelvin. Ayúdala realizando la conversión. 3— Si tiene 18 l de agua a 15°C, ¿cuánto varía su volumen al pasar por el boiler para calentarse? 4— Mari leyó en el instructivo que el boiler utiliza unas barras de cobre para calentar el agua, si tienen una longitud de 85 cm a 30°C, ¿cuánto varían en longitud los alambres al calentar el agua?
Problematización Cada vez que Maritza pasa muy cerca y a un lado del refrigerador, siente mucho el calor que se desprende del metal y si lo toca, está muy caliente. Se ha preguntado varias veces qué es lo que ocurre dentro de él que se calienta, pues sabe muy bien que el refrigerador sirve para enfriar, no para calentar. De igual forma observa que la plancha para alisar la ropa se calienta tanto que despide calor: sus manos se acaloran tanto que su mamá le dice que no abra el refrigerador o que no se lave las manos hasta que se refresque. ¿Podrías darle una respuesta a Maritza? ¿Por qué si el calor está presente, las cosas del refrigerador no se calientan? ¿Por qué el refrigerador y la plancha desprenden calor y puede sentirse sin que los toques? ¿Qué relación tiene el calor con la temperatura? ¿Por qué dentro del refrigerador los alimentos y los líquidos calientes o a temperatura ambiente, se enfrían?
69
Figura 2.12 Aun cuando ambos aparatos tienen diferentes funciones, la plancha calienta y el refrigerador enfría; despiden calor que no utilizan.
Sesión B: El calor y su intercambio entre los cuerpos Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ ,GHQWLÀFR ORV PHFDQLVPRV GH WUDQVPLVLyQ GHO FDORU \ UHFRQR]FR que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, FXDQGRÁX\HGHXQFXHUSRDRWUR Del saber hacer: Ȼ Utilizo la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido, diferenciando las formas de transmisión de calor y estableciendo las equivalencias de sus unidades en situaciones de la vida cotidiana. Del saber ser: Ȼ Valoro el impacto de la ciencia y la tecnología en el diseño de equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
Mecanismos de transferencia de calor Martha está muy preocupada porque quiere cocinar sus palomitas de microondas pero se descompuso el horno, entonces le pregunta a su mamá si puede usar la olla donde hacían antes palomitas. Su mamá le dice que sí, nada más que tenga cuidado de agarrar la olla con un trapo grueso, sobre todo cuando necesite sacudir
la olla. ¿De qué forma se transmite el calor en el horno de microondas? ¿Y de la estufa a la olla? ¿Qué pasa si Martha no utiliza un trapo grueso? ¿Y si remojara su mano en agua muy fría y luego tratara de agarrar la olla, sentiría igual de caliente?
70 'XUDQWHYDULRVVLJORVVHFRQVLGHUyDOFDORUFRPRXQÁXLGRLQYLVLEOH que se movía de un cuerpo a otro, recibiendo el nombre de calórico. Hoy VDEHPRV TXH HO FDORU HV XQD IRUPD GH HQHUJtD TXH ÁX\H GHO FXHUSR PiV caliente a otro con menor temperatura. Estos conocimientos los sabemos gracias a James Prescott Joule (1818-1889), que demostró que el calor se debe a una transferencia de la energía cinética que poseen los cuerpos. Para medir el calor se utiliza la caloría, actualmente el sistema internacional de unidades, sugiere la utilización del Joule como unidad de medida. Caloría: cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5°C a 15.5°C a una atmósfera de presión.
CRPRHOFDORUHVXQDIRUPDHQODTXHVHPDQLÀHVWDODHQHUJtDHQWRQFHV se relaciona con las unidades del trabajo mecánico. Joule para el Sistema Internacional de Unidades Ergio para el CGS Las relaciones entre las unidades son:
7DPELpQSRGHPRVXWLOL]DUOD.LORFDORUtDTXHHTXLYDOHDPLOFDORUtDV
Figura 2.13 Los aires acondicionados utilizan la unidad de medida para calor en el sistema inglés, OODPDGD%78\VHGHÀQHFRPRODFDQWLGDGGHHQHUJtDQHFHVDULDSDUDHOHYDUODWHPSHUDWXUDGHXQD libra de agua en un grado Fahrenheit.
Actividad de aprendizaje 8 Realiza en tu libreta las siguientes conversiones de unidades, recuerda que el proceso se estudió en Física Uno. Ȼ Una rebanada de pan blanco tiene 250 Kilocalorías; ¿a cuántos Joule equivale? Ȼ El mini split de la dirección de la escuela tiene una capacidad de calor GH%78¢$TXpFDQWLGDGGHFDORUtDVHTXLYDOH" Ȼ Un horno de microondas de un hotel proporciona una energía de 12 500 Joule. ¿Cuántas calorías representa?
Actividad de aprendizaje 9 Investiga en internet o en los libros de Física, algunos materiales que sean buenos transmisores de calor y cuáles no son tan buenos, es decir, aislantes de calor. Escribe en tu libreta al menos cinco ejemplos de cada tipo: conductores y aislantes.
Conducción Cada vez que mamá cocina, utiliza la conducción para trasmitir calor de un cuerpo a otro, por ejemplo, las moléculas de una olla se ponen en contacto con las moléculas de un comal al calentarse sobre éste, aumentando los choques entre las moléculas. Los cuerpos sólidos se favorecen con esta forma de transferir calor; los metales son lo que mejor conducen el calor.
Figura 2.14 El calor de la estufa se transmite al comal y de ésta a la olla, por el choque entre sus moléculas.
Convección ¿Has entrado a una piscina o al mar para bañarte y sientes que el agua está muy fría en el fondo y caliente en la parte de arriba? ¿Qué crees que está ocurriendo? (Q HIHFWR HO VRO FDOLHQWD HO DJXD GH OD VXSHUÀFLH \ hace que se dilate y tenga menor densidad, por lo que permanece más tiempo en la parte de arriba, pero si colocáramos en el fondo la fuente de calor, como lo hacemos en la estufa al calentar agua, el agua calien)LJXUD(OFDORUHQORVÁXLGRV te tiende a subir y el agua fría a bajar, repitiendo el como el agua, se transmite por ciclo sucesivamente hasta que todo esté caliente. A convección.
71
este movimiento de ascenso y descenso de los líquidos por aumento de energía, se le conoce como convección. Incluso los gases de la atmósfera lo hacen, pero cuando los cambios son muy violentos originan lo que nosotros conocemos como huracanes, tornados, tormentas.
72
Radiación ¿Alguna vez has estado cerca de una plancha y sientes el calor que se desprende de ella? Cuando el frío es intenso, buscamos tener cerca una fuente de calor. Las fogatas, los focos y el sol desprenden calor en varias direcciones por emisión de ondas HOHFWURPDJQpWLFDVGHVGHVXVXSHUÀFLHHVWHIHQyPHQRVHOODPDUDGLDFLyQ1XHVWUR cuerpo, después de adquirir calor, también irradia el exceso, por eso cuando nos acercamos a alguien que está caloroso, sentimos el calor que sale de su cuerpo. El 6ROWUDQVÀHUHFDORUKDFLDOD7LHUUD\OD7LHUUDSRUODVQRFKHVGHVSUHQGHFDORUDPERV por radiación.
)LJXUD(OFDORUHPLWLGRSRUHO6ROKDFLDOD7LHUUDGXUDQWHHOGtD\GHOD7LHUUDDODDWPyVIHUDHV por radiación.
Actividad de aprendizaje 10 De forma individual escribe cinco situaciones en las que se transmita el calor por conducción, cinco situaciones por convección y cinco situaciones por radiación. 7UDWDGHTXHODVVLWXDFLRQHVTXHPHQFLRQHVVHDQDFWLYLGDGHVTXHUHDOL]DVDGLDULR $OÀQDOL]DUFRPpQWDODVHQSOHQDULDFRQWXVFRPSDxHURV Conducción
Convección
Radiación
1.-
1.-
1.-
2.-
2.-
2.-
3.-
3.-
3.-
4.-
4.-
4.-
5.-
5.-
5.-
Actividad de aprendizaje 11 De forma individual, elabora en tu libreta un cuadro comparativo donde argumentes las características de cada forma de transmitir calor (conducción, convección y radiación).
Capacidad calorífica y calor específico de las sustancias ¿Has calentado agua en la estufa? ¿Has tomado el tiempo que tarda en hervir? ¿De qué depende que hierva más rápido o no? ¿Qué pasa si en lugar de calentar sólo agua, calentamos la misma cantidad de aceite de cocina, como lo hace mamá al FRFLQDU"¢7DUGDHOPLVPRWLHPSRHQKHUYLU"¢$TXpVHGHEH"
7RGDVODVVXVWDQFLDVQHFHVLWDQDEVRUEHUXQDFLHUWDFDQWLGDGGHFDORUSDUD variar su temperatura. La cantidad de calor necesaria es única para cada sustancia y se determina por la variación de su temperatura. Esta cantidad de calor se conoFHFRPRFDSDFLGDGFDORUtÀFDODFXDOVHH[SUHVDPDWHPiWLFDPHQWHFRPR
Donde
&XDQGRODVXVWDQFLDHVODPLVPDODFDSDFLGDGFDORUtÀFDGHODVXVWDQFLD no cambia, pero pueden presentar diferentes masas, por lo cual cada una absorbe distinta cantidad de calor, es decir, la masa determina entonces la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura. Por tanto, si cada sustancia necesita cierta cantidad de calor por cada gramo de masa para hacer variar su temperatura XQJUDGRFHQWtJUDGRHVWDUHODFLyQVHFRQRFHFRPRFDORUHVSHFtÀFR/DH[SUHVLyQ matemática es:
'RQGHODFDSDFLGDGFDORUtÀFD & FRUUHVSRQGHDODYDULDFLyQGHFDORUHQtre la variación de temperatura, por tanto, sustituyendo C:
73
74 &RPRHOFDORUHVSHFtÀFRHVGLIHUHQWH\~QLFRSDUDFDGDVXVWDQFLD 7DEOD 4) podemos despejar la ecuación para conocer la variación del calor.
C agua
= 1 cal/g.°C
C hierro
= 0.114 cal/g.°C
C hielo
= 0.5 cal/g.°C
C latón
= 0.094 cal/g.°C
C aire
= 0.24 cal/g.°C
C mercurio
= 0.033 cal/g.°C
C aluminio
= 0.217 cal/g.°C
C cobre
= 0.092 cal/g.°C
C plomo
= 0.03 cal/g.°C
C plata
= 0.056 cal/g.°C
7DEOD&DORUHVHVSHFtÀFRVGHDOJXQDVVXVWDQFLDVDSUHVLyQFRQVWDQWH
Si conocemos la cantidad de calor, incluso podemos despejar para conocer la vaULDFLyQGHODWHPSHUDWXUDRELHQODWHPSHUDWXUDÀQDORLQLFLDOGXUDQWHHOFDPELR recordemos que: Por tanto: Para aplicar la ecuación resolveremos un ejercicio. Josué pretende calentar una olla de aluminio que tiene 800 g de masa y quiere saber qué cantidad de calor necesita añadirle. Si la temperatura de la olla es de 20°C y la calienta hasta 40°C, ¿cuánto calor necesita añadirle? Calculamos la cantidad de calor a partir de la fórmula despejada: Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
Resultados
Josué necesitara aplicar 3 360 calorías a 800 g de aluminio para alcanzar la temperatura de 40 °C.
Actividad de aprendizaje 12
Individualmente resuelve en tu libreta los siguientes ejercicios. 1— Para calentar 600 g de agua, de 30°C a 85°C, Yoselin pretende saber qué cantidad de calor necesita aplicarle. 2— Pedro pretende calentar una barra de hierro, requiere que absorba 4 500 cal. Si la temperatura inicial de la barra es de 25°C, ¿hasta qué temperatura deberá calentar Pedro la barra de metal? 3— En el laboratorio escolar de Hunucmá, el maestro pide al 3o B que idenWLÀTXHQ XQD VXVWDQFLD TXH HVWiQ FDOHQWDQGR (O PDHVWUR VROLFLWD TXH calienten 500 g de esa sustancia, de 28°C hasta 40°C, indicándoles que con ese cambio de temperatura la sustancia absorbe 3 300 calorías. ¿Puedes indicar qué sustancia se está calentando? 4— Durante una posada de navidad, se calientan 10 l de agua para hacer atole, la temperatura del ambiente es de 18°C. Si se le aplican 270 000 calorías a esa cantidad de agua, ¿a qué temperatura se pretende servir el atole?
Calor perdido y ganado por los cuerpos En Sisal, las mañanas son un poco frías por estar cerca de la costa. Marilyn todas las mañanas se baña con agua tibia para poder irse a la escuela. Pero ¿qué cantidad de agua necesita calentar y hasta qué temperatura? ¿Cuánta agua fría debe tener en la cubeta para que, al mezclarla con el agua caliente, la cubeta tenga 15 l a una temperatura aproximada de 38°C? Quizá nunca nos hemos tomado la molestia de medir las temperaturas del agua, tanto de la que calentamos como la que usamos para bañarnos, con sólo meter la mano decimos si está lista o no para bañarse. Pero en Física podemos calcular la masa o la temperatura de las sustancias cuando se ponen en contacto. Incluso cuando preparamos agua para el café, podemos GHWHUPLQDUODWHPSHUDWXUDÀQDOGHODPH]FOD KHFKDFRQDJXDIUtD\FDOLHQWH R bien las temperaturas individuales de éstas; en cada caso la cantidad de masa es determinante. Para explicar este fenómeno, podemos hacer mención de la ley de la conVHUYDFLyQGHOLQWHUFDPELRGHHQHUJtDFDORUtÀFDODFXDOVHxDODTXHODFDQWLGDGGH calor que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad que pierde otro, hasta alcanzar el equilibrio térmico. Es decir:
Matemáticamente podemos expresarlo de la siguiente forma:
Observemos que uno de ellos es negativo debido a que pierde calor, y el otro es positivo porque gana calor.
75
Si sustituimos por las ecuaciones completas tendremos:
Si los cuerpos alcanzan el equilibrio térmico, entonces la temperatura ÀQDOGHDPERVGHEHVHUODPLVPD
Actividad de aprendizaje 13
76
Investiga en internet en equipos de cuatro personas cómo funcionan algunos aparatos TXHWUDQVÀHUHQFDORU&RQD\XGDGHWXIDFLOLWDGRUGLYtGDQVHORVWHPDV\SRVWHULRUPHQte expóngalas ante el grupo. La lista de temas son: refrigerador, plancha, motor de combustión interna (de automóvil), aire acondicionado, el motor de un cohete, horno de microondas.
Equilibrio térmico 7RGRVORVFXHUSRVDOHVWDUDGLIHUHQWHVWHPSHUDWXUDVSXHGHQLQWHUFDPELDUHOFDORU Recordemos que el calor sólo puede transmitirse del cuerpo más caliente al más frío, es decir del de mayor temperatura al de menor temperatura. No olvidemos TXHODFDQWLGDGGHPDVDLQÁXLUiHQHVWHLQWHUFDPELR\DTXHPLHQWUDVPiVPDVD tenga un cuerpo, mayor cantidad de calor requiere para cambiar su temperatura. (QFDVRVHVSHFtÀFRVSRGHPRVFRPHQWDUHOFDVRGH0DULO\QTXHQHFHVLWDWHQHUPXcho más elevada la temperatura del agua caliente por tener poca cantidad, que la de la cubeta que tiene mayor cantidad de agua. Para aplicar la expresión matemática resolveremos un ejercicio.
Figura 2.17 Calorímetro: instrumento que sirve para medir la cantidad de calor TXH VH WUDQVÀHUH GH XQ cuerpo a otro.
Rolando pretende preparar café, para ello pone a calentar 200 ml de agua en un recipiente, la temperatura que alcanza es de 90°. Si pretende preparar un litro de café y la temperatura del agua fría es de 28°C, ¿a qué temperatura quedará la mezcla? a– Para resolver el ejercicio primero calcularemos la masa de agua en cada situación. 3DUDHODJXDFDOLHQWHVHWLHQHQPOVXGHQVLGDGHVGHJFP3, si cada ml corresponde a un cm3, entonces tendremos:
Masa del agua caliente: 200 g. Como se pretende preparar un litro, entonces deben colocarse 800 g de agua fría. b– $KRUDFDOFXODPRVODWHPSHUDWXUDÀQDO Datos
Fórmula
Sustitución en fórmula
/DWHPSHUDWXUDÀQDOGHODPH]FODGHDJXDSDUDHOFDIpGH5RODQGRVHUi de 40.4°C.
Actividad de aprendizaje 14 En binas, resuelve correctamente en tu libreta, los siguientes ejercicios de transferencia de calor. 1— Mariela está cenando un caldo de pavo junto con su mamá, introduce su cuchara de aluminio a 25°C y con una masa de 150 g. Si el caldo está a 60°C y son 350 ml, ¿a qué temperatura quedan ambos al ponerse en FRQWDFWR"&RQVLGHUDHOFDORUHVSHFtÀFRGHOFDOGRLJXDODOTXHGHODJXD 2— José Carlos está elaborando una espada de cobre que pesa 1.3 kg para una obra de teatro, para darle forma y pulirla tuvo que calentarla. Una vez terminada la forma, la introduce en una cubeta con 3 kg de agua que estaba a 18°C para enfriar la espada. Si la temperatura de equilibrio fue de 30°C, ¿a qué temperatura estaba la barra de cobre? 3— La mamá de Rudy prepara unos tamales en una olla de aluminio que pesa 2 kg. Si la olla se calienta a 50°C mientras va colocando los tamales adentro, ¿qué cantidad de agua debe añadir la mamá de Rudy a la olla para que la temperatura de ésta no baje a menos de 30°C? Una vez que el agua se vaya calentando, la mamá de Rudy le añadirá más agua. 4— En la nevera de la tienda de Carlos, observa la condensación de agua en la puerta. Se le ocurre medir la temperatura del vidrio que está a 15°C,
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sabiendo que tiene una masa de 500 g; recoge toda el agua condensada en la puerta y obtiene 50 ml a 28 °C. ¿A qué temperatura estaba el vapor de agua?
Síntesis 78
Resuelve las siguientes actividades con base a lo que has aprendido durante esta sesión. I.
,QGLFD VL ODV DÀUPDFLRQHV VLJXLHQWHV VRQ YHUGDGHUDV R IDOVDV HQ WRGDV DUJXmenta tu respuesta. Afirmación
Valor
Argumentación
La formación de un huracán se lleva a cabo por corrientes de convección. En una sustancia su calor específico varía al cambiar la temperatura. Durante la transferencia de calor, éste fluye del cuerpo más frío al más caliente. En los líquidos y gases sólo se transmite el calor por radiación. A la temperatura final alcanzada, cuando se ponen en contacto dos sustancias, también se le llama temperatura de equilibrio. Para transferir calor de la plancha a la tela, se usa la conducción de calor. La cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo, depende de su cantidad de masa. Un vaso térmico transfiere fácilmente el calor por conducción. Resuelve correctamente los siguientes ejercicios en tú libreta. 1— Durante el día, las láminas de aluminio de la casa de Jennifer absorben calor por radiación, alcanzando una temperatura de 60°C. Si en un día lluvioso cae 1 kg de agua a 15°C por cada 3 kg de la lámina, ¿a qué temperatura quedan en equilibrio térmico el agua y las láminas? 2— Un calentador de agua por contacto, tiene alambres de hierro que en total suman 2 500 g y se calientan hasta los 248°F; es de fabricación inglesa. Si deseo calentar 20 l de agua, ¿qué temperatura de equilibrio alcanzarán? 3— Al preparar café con leche se calientan 500 g de agua. Si se desea tener la mezcla a 40°C y de leche se tienen 250 g a 15 °C, ¿qué temperatura debe tener el agua?
Realimentación &RQEDVHDORDQWHULRUGHÀQHFRQWXIDFLOLWDGRUODVHVWUDWHJLDVDVHJXLUSDUDDOFDQzar, si no lo has logrado, el nivel estratégico formal.
Evaluación de mis competencias I.
En este apartado incluiremos algunos reactivos parecidos a los utilizados en la prueba ENLACE con el fin de “activar” los saberes que has desarrollado en el pasado e integrar tus conocimientos. 1— Forma de propagación de calor ocasionada por el movimiento de una sustancia caliente. ( )
a) Radiación
b) Conducción
c) Convección
d) Inducción
2— Fenómeno que sufre una puerta de metal al aumentar su área cuando se eleva la temperatura. ( ) D 'LODWDFLyQOLQHDO d) Dilatación irregular
E 'LODWDFLyQF~ELFD
F 'LODWDFLyQVXSHUÀFLDO
3— (VFDODGHWHPSHUDWXUDTXHWLHQHFRPRSXQWRÀMRVXSHULRUODWHPSHUDWXUDGHHEXOOLFLyQGHODJXD\FRPRSXQWRÀMRLQIHULRUODWHPSHUDWXUDGHO agua congelada. ( ) a) Celsius
b) Fahrenheit
c) Kelvin
d) Rankin
4— 3URSLHGDGGHODPDWHULDTXHLQÁX\HHQODFDQWLGDGGHFDORUHVSHFtÀFR de los cuerpos. ( ) a) Temperatura
b) Volumen
c) Peso
d) Masa
5— La temperatura de equilibrio entre dos cuerpos, una barra de hierro y agua, es de 40°C. Si el agua tenía 60°C y la barra de hierro 20°C, ¿quién cede calor? ( ) a) El agua II.
b) El hierro
c) Ambos
d) Ninguno, lo causa el ambiente
En grupos de tres personas y en tu libreta, realiza las siguientes actividades.
Proyecto: Selecciona tres alimentos que consumes comúnmente, revisa la información nutrimental que tienen en la parte posterior del empaque. Copia la cantidad de energía que proporciona el producto y convierte ese valor a calorías y Kilocalorías. Consigue un termómetro y mide tu temperatura. Consume una porción del producto y a los 5 minutos vuelve a medir tu temperatura con el termómetro. ¿Varió tu temperatura? ¿Por qué? 1— Explica brevemente las diferencias entre calor y temperatura, basándote en la energía cinética que posee. 2— (ODERUDXQDUHÁH[LyQGHPHGLDFXDUWLOODVREUHODLPSRUWDQFLDGHFRQRcer los mecanismos de transferencia de calor. 3— Marco, el herrero, coloca una puerta en el cuarto frío de un supermercado. La puerta de aluminio pesa 5 kg. La temperatura a la que la construye es de 30°C. Si la temperatura del cuarto frío es de 41°F,
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127$6
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determina: a– La temperatura en °C del cuarto frío. b– /DGLODWDFLyQVXSHUÀFLDOTXHWLHQHODSXHUWD c– La cantidad de calor perdido por la puerta.
Actividad experimental 1. Mecanismos de transferencia de calor y dilatación Propósito: Observar la transferencia de calor que ocurre entre dos cuerpos y el tipo de dilatación que sufre al aumentar su temperatura. Antecedentes: ¿Cómo puedo conocer los mecanismos de transferencia de calor? ¿Puedo observar la dilatación de los cuerpos en actividades cotidianas? La transferencia espontánea de calor se da siempre de un objeto caliente a un objeto menos caliente. Si varios objetos cercanos entre sí tienen distintas temperaturas, entonces los que están calientes se enfrían y los que están fríos se calientan, hasta que todos tengan una misma temperatura. Este equilibrio entre las temperaturas se lleva a cabo de tres maneras: conducción, convección y radiación. Ȼ Conducción: Proceso por el cual se transmite calor a lo largo de un cuerpo mediante colisiones moleculares. Ȼ Convección: Proceso por el cual se transmite calor, debido al movimienWRGHODVPDVDVFDOLHQWHVGHXQÁXLGR Ȼ Radiación: Proceso por el cual se transmite calor, debido a la emisión FRQWLQXDGHHQHUJtDGHVGHODVXSHUÀFLHGHORVFXHUSRVeVWDVHUHDOL]D por medio de las ondas electromagnéticas. Ȼ La dilatación es la propiedad que tienen los cuerpos de aumentar o disminuir sus dimensiones cuando aumenta o disminuye su temperatura. Los sólidos, líquidos y gases se dilatan al aumentar su temperatura, con excepción del agua en el intervalo de 0ºC a 4ºC. Los tres tipos de dilatación son: Ȼ Lineal: Cambia la longitud de un cuerpo al variar su temperatura, este cambio es proporcional a su longitud inicial y al incremento de temperatura. Ȼ 6XSHUÀFLDO ,QFUHPHQWDHOiUHDGHXQFXHUSRDOYDULDUVXWHPSHUDWXUD Ȼ Cúbica: Incrementa el volumen de un cuerpo al variar su temperatura. Materiales 2 soportes universales 2 pinzas para soporte 1 mechero de Bunsen
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1 parrilla para calentar o estufa 1 vaso de precipitado Cronómetro
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*50 cm de hilera
8QDYHODGHSDUDÀQD *Una barra de 40 cm de cobre (o tubo de cobre) *Encendedor *Pelota de ping-pong *Un frasco de vidrio con tapa de rosca de metal *Trozo de alambre *Moneda *Material que debe aportar el alumno. Procedimiento 1 1— $UPDHOVLVWHPDFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUDVXMHWDQGRHQXQ soporte universal la barra de cobre, en el otro soporte amarra un hilo HQFX\RH[WUHPRFRORFDXQSHGD]RGHSDUDÀQD&RORFDUXQDJRWD R WUR]R GHSDUDÀQDVREUHODEDUUDGHFREUH 2— Coloca el mechero a la misma distancia, entre los 2 pedazos de SDUDÀQD KLOR\EDUUD SURFXUDQGRTXHODÁDPDOOHJXHDOH[WUHPR de la barra. 3— Enciende el mechero y pon en marcha el cronómetro. Observa qué RFXUUHFRQORVGRVWUR]RVGHSDUDÀQD 4— 7RPDHOWLHPSRTXHWDUGDODSDUDÀQDHQGHUUHWLUVHHQDPERVFDVRV y anótalo.
83
Figura 2.18 Montaje experimental.
Procedimiento 2 1— 7RPDHOIUDVFRGHYLGULR\WiSDORDSUHWDQGRODWDSDIXHUWHPHQWH 2— Calienta la tapa de metal con el encendedor en la parrilla o en una toma de agua caliente por unos segundos y luego destápalo. Ver ÀJXUD
Figura 2.19
Procedimiento 3 1— 7RPDODSHORWDGHSLQJSRQJ\KD]OHXQDDEROODGXUDVLQURPSHUOD 2— Coloca agua en la olla o vaso de precipitado y ponla sobre la estufa para que se caliente hasta que hierva. 3— Introduce la pelota de ping-pong dentro de la olla con agua a temperatura de ebullición y observa lo que sucede. Figura 2.20.
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Figura 2.20
Procedimiento 4 1— Forma un arillo con mango con el trozo de alambre, tratando que sea un poco más pequeño que la moneda que se va a usar. Figura 2.21 2— Intenta pasar la moneda por el arillo de alambre y observa qué sucede. 3— Ahora sujeta el arillo de su mango y caliéntalo con el encendedor por unos segundos. 4— Intenta de nuevo introducir la moneda dentro del arillo; observa lo que sucede.
Figura 2.21
Resultados 1— Registra en esta tabla los resultados que obtuviste durante el procedimiento 1. Material Parafina en el hilo Parafina en la barra
Tiempo
2— Anota lo que observas en el procedimiento 2.
3— Anota lo que observas en el procedimiento 3.
85 4— Anota lo que observas en el procedimiento 4.
Resultados. 1— &DOFXODODYHORFLGDGFRQTXHVHWUDQVÀHUHHOFDORUHQODEDUUD\GHOPHchero al hilo.
2— ¢0HGLDQWHTXpPHFDQLVPRVHWUDQVPLWHHOFDORUDOWUR]RGHSDUDÀQDGH la barra y a la suspendida del hilo?
3— ¿La velocidad de transferencia de calor fue igual en ambos casos? Argumenta tu respuesta.
4— ¢4XpWUR]RGHSDUDÀQDVHGHUULWHSULPHUR"¢3RUTXp"
5— ¿Qué mecanismo de transferencia de calor se utiliza en tu refrigerador?
6— ¿Se destapó con facilidad el frasco de vidrio cuando lo calentaste? ¿Qué tipo de dilatación sufre la tapa?
7— ¿Qué observaste cuando calentaste la pelota de ping-pong abollada? A qué le puedes atribuir ese fenómeno?
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8— ¿Qué sucedió cuando intentaste introducir la moneda en el arillo sin calentar?
9— ¿Qué sucedió cuando intentaste introducir la moneda en el arillo caliente? ¿Qué tipo de dilatación sufre el arillo de metal?
Conclusión.
Actividad experimental 2. Calor absorbido y cedido por los cuerpos Propósito: 'HWHUPLQDUHOFDORUHVSHFtÀFRGHVXVWDQFLDV PHWDOHV XWLOL]DQGR un calorímetro de agua.
Antecedentes: ¿Puedo determinar el calor absorbido y cedido por un cuerpo? Los cuerpos intercambian calor hasta alcanzar su equilibrio térmico. Esto VLJQLÀFD TXH HO FDORU FHGLGR SRU XQ FXHUSR FDOLHQWH VHUi DEVRUELGR SRU RWUR GH menor temperatura. Se puede expresar como: &DORUFHGLGR &DORUDEVRUELGR Bajo condiciones ideales, el intercambio de calor debe evitar la pérdida GHFDORUFRQHODPELHQWH\VXVDOUHGHGRUHVSDUDREWHQHUUHVXOWDGRVPiVFRQÀDbles. Materiales 1 balanza granataria 1 anillo de hierro para soporte 1 soporte universal 1 mechero de Bunsen Guantes de asbesto
1 vaso de precipitado de 500 ml 1 termómetro (10 a 120 °C) *Recipiente de nieve seca (unicel); puede ser una nevera pequeña
7UR]RGHDODPEUHGHKLHUURRFREUH *Agua
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*Material que debe aportar el alumno. Procedimiento: 1— Pesa la muestra de sustancia (trozo de alambre de hierro, cobre, etc.). 2— 7RPD OD WHPSHUDWXUD DPELHQWH \ considera ésta como la temperatura del metal. 3— RHDOL]DXQRULÀFLRDODWDSDGHOUHcipiente de unicel para introducir de manera justa el termómetro. ¡Estamos construyendo un calorímetro! 4— Coloca el metal dentro del recipiente.
Figura 2.22 Montaje experimental
5— Calienta de 300 a 500 ml de agua hasta que ésta alcance los 70 °C. 6— Vacía el agua caliente al interior del recipiente de unicel y tapa inmeGLDWDPHQWH&RORFDHOWHUPyPHWURFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD 7— Espera que se estabilice la temperatura del agua en el interior del recipiente y registra esta temperatura. Observaciones y operaciones. 1— Registra en esta tabla los resultados que obtuviste durante el procedimiento. Sustancia
Temperatura inicial
Temperatura final
Calor específico
Agua
Sustancia (Alambre de hierro, cobre, etc.)
2— ,GHQWLÀFDODVFDUDFWHUtVWLFDVGHODVVXVWDQFLDVTXHLQWHUFDPELDQFDORUHQ el experimento:
Datos agua
Datos del alambre
88 3— 2EWpQHOFDORUHVSHFtÀFRGHOPHWDO
4— ¿Cuánto calor recibe?
Resultados. 1— ¿Qué sustancia cede calor y por qué?
2— 0HQFLRQDUOD/H\&HURGHOD7HUPRGLQiPLFDR/H\GHOLQWHUFDPELRGH calor.
3— Si colocas un pedazo de metal (por ejemplo, una cuchara) en un vaso de agua a temperatura ambiente, ¿por qué se calienta? Argumenta tu respuesta.
4— 'HDFXHUGRDORVFiOFXORVTXHUHDOL]DVWH¢FXiOHVHOFDORUHVSHFtÀFRGHO PHWDO"&RPSiUDORFRQODWDEODGHFDORUHVSHFtÀFRGHOD*XtD'LGiFWLFD de Física II.
Conclusión.
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Evaluación de la competencia Después de socializar los resultados de su aprendizaje, ubica tu nivel de desempeño en la adquisición de las competencias relacionadas con esta sesión con ayuda de tu facilitador tomando en consideración el cumplimiento de los criterios presentados al inicio de cada sesión. Pre-formal
Inicial-receptivo
Resolutivo (Básico)
Autónomo
Estratégico
(1-2)
(3-4)
(5-6)
(7-8)
(9-10)
Identifico los conceptos de calor y temperatura a partir de la energía cinética promedio que posee la materia, y reconozco las escalas de temperatura usadas para su medición.
No Identifico los conceptos de calor y temperatura a partir de la energía cinética promedio que posee la materia, y no reconozco las escalas de temperatura usadas para su medición.
Identifico vagamente los conceptos de calor y temperatura a partir de la energía cinética promedio que posee la materia, y no reconozco las escalas de temperatura usadas para su medición.
Identifico ciertas características en los conceptos de calor y temperatura a partir de la energía cinética promedio que posee la materia, y reconozco ciertas escalas de temperatura usadas para su medición.
Identifico con certeza los conceptos de calor y temperatura a partir de la energía cinética promedio que posee la materia, y reconozco con certeza las escalas de temperatura usadas para su medición.
Identifico y argumento los conceptos de calor y temperatura a partir de la energía cinética promedio que posee la materia, y reconozco con fundamentos las escalas de temperatura usadas para su medición.
Diferencio el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, interpretando valores y resolviendo ejercicios.
No diferencio el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, no interpreto valores ni resuelvo ejercicios.
Diferencio vagamente el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, interpretando vagamente sus valores y no resolviendo ejercicios.
Logro ciertas diferencias entre el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, interpretando ciertos valores y resolviendo ciertos ejercicios.
Diferencio con certeza el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, interpretando con certeza valores y resolviendo ejercicios.
Diferencio y argumento el concepto de calor y temperatura para comprender la relación existente entre las escalas termométricas, interpreto valores y resuelvo ejercicios con fundamentos.
Relaciono la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos; utilizo los modelos matemáticos, sus unidades y establezco la equivalencia entre ellos.
No relaciono la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos; no utilizo los modelos matemáticos, sus unidades y no establezco la equivalencia entre ellos.
Relaciono vagamente la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos; utilizo vagamente los modelos matemáticos, sus unidades y establezco vagamente la equivalencia entre ellos.
Relaciono algunas veces la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos; utilizo ciertos modelos matemáticos, sus unidades y establezco cierta equivalencia entre ellos.
Relaciono con certeza la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos; utilizo con certeza los modelos matemáticos, sus unidades y establezco con certeza la equivalencia entre ellos.
Relaciono y argumento la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades de los cuerpos; utilizo con fundamentos los modelos matemáticos, sus unidades y establezco con argumentos la equivalencia entre ellos.
Valoro la importancia del calor y la temperatura, así como sus efectos sobre los cuerpos para comprender las condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
No valoro la importancia del calor y la temperatura ni sus efectos sobre los cuerpos; no comprendo las condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
Tengo cierta valoración en la importancia del calor y la temperatura y sus efectos sobre los cuerpos, para comprender ciertas condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
Valoro vagamente la importancia del calor y la temperatura y sus efectos sobre los cuerpos, para comprender vagamente las condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
Valoro con certeza la importancia del calor y la temperatura y sus efectos sobre los cuerpos, para comprender las condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
Valoro y argumento la importancia del calor y la temperatura y sus efectos sobre los cuerpos, para comprender las condiciones físicas y sociales del medio en que me desenvuelvo.
Identifico los mecanismos de transmisión del calor y reconozco que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, cuando fluye de un cuerpo a otro.
No Identifico los mecanismos de transmisión del calor ni reconozco que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, cuando fluye de un cuerpo a otro.
Reconozco vagamente los mecanismos de transmisión del calor y que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, cuando fluye de un cuerpo a otro.
Identifico algunas veces los mecanismos de transmisión del calor pero no reconozco que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, cuando fluye de un cuerpo a otro.
Identifico con certeza los mecanismos de transmisión del calor y reconozco que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, cuando fluye de un cuerpo a otro.
Identifico plenamente los mecanismos de transmisión del calor argumentando que es proporcional a su variación de temperatura y a su masa, cuando fluye de un cuerpo a otro.
Criterio
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92
Utilizo la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido, diferenciando las formas de transmisión de calor y estableciendo las equivalencias de sus unidades en situaciones de la vida cotidiana.
No utilizo la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido ni diferencio las formas de transmisión de calor; no puedo establecer las equivalencias de sus unidades en situaciones de la vida cotidiana.
Reconozco pero no utilizo la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido, diferencio vagamente las formas de transmisión de calor y no puedo establecer las equivalencias de sus unidades en situaciones de la vida cotidiana.
Utilizo en ciertas situaciones la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido, diferencio ciertas formas de transmisión de calor y establezco las equivalencias de sus unidades en ciertas situaciones de la vida cotidiana.
Utilizo con certeza la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido, diferencio ciertas formas de transmisión de calor y establezco las equivalencias de sus unidades con certeza en situaciones de la vida cotidiana.
Utilizo y argumento la expresión matemática que establece la igualdad entre el calor ganado y perdido, diferencio las formas de transmisión de calor y establezco las equivalencias de sus unidades con fundamentos en situaciones de la vida cotidiana.
Valoro el impacto de la ciencia y la tecnología en el diseño de equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
No valoro el impacto de la ciencia y la tecnología en el diseño de equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
Valoro el impacto de la ciencia y la tecnología vagamente en el diseño de equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
Valoro el impacto de la ciencia y la tecnología en el diseño de ciertos equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
Valoro con certeza el impacto de la ciencia y la tecnología en el diseño de equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
Valoro y argumento el impacto de la ciencia y la tecnología en el diseño de equipos y aparatos usados a diario y que aprovechan la energía en forma de calor, para mejorar mi calidad de vida.
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1 127$6 27$6 94 94
127$6 95
Bloque III. Comprende las leyes de la electricidad Unidad de competencia: Explica las leyes de la electricidad y valora la importancia que tiene en nuestros días. Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemátiFDVRJUiÀFDV 6LJXH LQVWUXFFLRQHV \ SURFHGLPLHQWRV GH PDQHUD UHÁH[LYD FRPSUHQGLHQGR cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. ,GHQWLÀFDORVVLVWHPDV\UHJODVRSULQFLSLRVPHGXODUHVTXHVXE\DFHQDXQDVHULH de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. (OLJHODVIXHQWHVGHLQIRUPDFLyQPiVUHOHYDQWHVSDUDXQSURSyVLWRHVSHFtÀFR\ GLVFULPLQDHQWUHHOODVGHDFXHUGRDVXUHOHYDQFLD\FRQÀDELOLGDG 5HFRQRFHORVSURSLRVSUHMXLFLRVPRGLÀFDVXVSURSLRVSXQWRVGHYLVWDDOFRQRFHU nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 'HÀQHPHWDV\GDVHJXLPLHQWRDVXVSURFHVRVGHFRQVWUXFFLyQGHFRQRFLPLHQtos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, GHÀQLHQGRXQFXUVRGHDFFLyQFRQSDVRVHVSHFtÀFRV 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de maQHUDUHÁH[LYD 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
&RPSHWHQFLDVGLVFLSOLQDUHVEiVLFDVGHOFDPSRGHODVFLHQFLDVH[SHULPHQWDOHV Ȼ Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y HODPELHQWHHQFRQWH[WRVKLVWyULFRV\VRFLDOHVHVSHFtÀFRV Ȼ Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Ȼ ,GHQWLÀFDSUREOHPDVIRUPXODSUHJXQWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFR\SODQWHD las hipótesis necesarias para responderlas. Ȼ Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a pregunWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFRFRQVXOWDQGRIXHQWHVUHOHYDQWHV\UHDOL]DQGR experimentos pertinentes. Ȼ Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Ȼ Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenóPHQRVQDWXUDOHVDSDUWLUGHHYLGHQFLDVFLHQWtÀFDV Ȼ ([SOLFLWDODVQRFLRQHVFLHQWtÀFDVTXHVXVWHQWDQORVSURFHVRVSDUDODVRlución de problemas cotidianos. Ȼ Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nocioQHVFLHQWtÀFDV Ȼ Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesiGDGHVRGHPRVWUDUSULQFLSLRVFLHQWtÀFRV Ȼ Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modeORVFLHQWtÀFRV Ȼ Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
Dinamización
98
A lo largo de la historia, el hombre siempre ha desarrollado instrumentos y aparatos que le faciliten el trabajo, le proporcionen diversión y también comodidad. Muchos de ellos pueden funcionar gracias al uso de algún tipo de energía como, por ejemplo, el refrigerador, el taladro, la televisión, las lámparas, la computadora y las consolas de videojuegos. ¢7H KDV SUHJXQWDGR DOJXQD YH] FyPR IXQFLRQDQ FyPR VH SURGXFH \ VH distribuye la energía que les permite funcionar y de qué manera se almacena esta energía? Seguramente ya estás pensando de qué tipo de energía estamos hablando, así es, la electricidad. Es tan importante su utilización en nuestros días, que para no poder dejar nuestros quehaceres laborales y recreativos, se han inventado aparatos portátiles que permiten generarla y almacenarla para poder seguir con nuestras actividades.
Figura 3.1 Aparatos que utilizamos en nuestra vida cotidiana y que utilizan la electricidad para su funcionamiento.
A continuación te proponemos el reto de medir tus conocimientos previos sobre este bloque, poniéndote en contexto y activando tus saberes.
Actividad de aprendizaje 1 5HDOLFHPRVODVLJXLHQWHDFWLYLGDGDÀQGHDFWLYDUORVFRQRFLPLHQWRVSUHYLRVTXH posees. 1— ¿Qué es la electricidad?
2— ¿Cuáles son las formas de generación de electricidad que conoces?
3— La carga eléctrica del electrón es:
4— Redacta dos ejemplos en los que se demuestre la relación que existe entre hidráulica y electricidad.
99 5— Escribe dos ejemplos en los que se demuestre la relación que existe entre calor y electricidad.
6— ¿En qué fenómenos biológicos de nuestro cuerpo se aplica la electricidad?
7— Describe con tus propias palabras qué es un circuito eléctrico.
Contextualización (QHVWHEORTXHWHOOHYDUHPRVSRUHOFDPLQRGHODSUHQGL]DMHVLJQLÀFDWLYRGHPDnera que te presentaremos los conceptos, leyes, principios y aplicaciones que son inherentes a esta rama de la Física. Al estar viendo la televisión, jugar en las máquinas de videojuegos, utilizar tu reproductor MP3 o cargar la pila de tu celular, estás utilizando electricidad, la cual inevitablemente es de uso cotidiano en la vida del ser humano y en el desarrollo de tecnologías. La electricidad juega un papel muy importante en el hogar, en clínicas, hospitales y empresas, ya que sin la presencia de ésta no sería posible llevar a cabo ciertas actividades como: planchar la ropa, iluminar de espacios, refrigerar los alimentos, conservar las vacunas, producir plásticos ni fabricar chips para computadoras u otros aparatos.
Figura 3.2 Uso de aparatos eléctricos.
Ahora, imagina lo siguiente: ¿De qué manera te afecta no tener electricidad en tu casa?
100
¿Qué pasaría en un hospital si no contara con generadores de emergencia?
(VLPSRUWDQWHTXHUHÁH[LRQHV\UHFRQR]FDVODSDUWLFLSDFLyQDFWLYDTXH tendrás a lo largo del desarrollo de este bloque y, con los conocimientos previos que posees y la ayuda del docente facilitador, estamos seguros que realizarás con éxito todas las actividades que se te proponen en esta guía y las que te proporcione tu profesor.
Actividad de aprendizaje 2 Investiga y contesta las siguientes preguntas. 1— ¿Cuál es la fuente de producción de energía eléctrica en tu comunidad?
2— ¢4XpHGLÀFLRVFXHQWDQFRQXQDSODQWDJHQHUDGRUDDOWHUQDHQWXFRPXnidad?
3— ¿Qué voltaje utiliza la bomba de abastecimiento de agua para tu comunidad?
Problematización Los compañeros de tu escuela realizan una revista de interés general para que circule en el plantel, y piden tu colaboración para escribir un artículo con los siguientes temas de abordaje: Ȼ ¿Qué es la electricidad? Ȼ ¿Cómo fue su desarrollo a lo largo de la historia? Ȼ ¿Cuáles han sido los inventos y descubrimientos más importantes relacionados con la electricidad? Ȼ ¿Cómo ha impactado la electricidad en nuestra vida cotidiana? Como no recuerdas a los personajes y las aportaciones que realizaron, te ves obligado a indagar sobre este tema para desarrollar tu escrito. Por fortuna, tu mejor amigo tiene una lista de nombres que le proporcionó un compañero del área de físico-matemáticas.
Sesión A: Desarrollo histórico de la electricidad Desarrollo de saberes
101
Del saber: Ȼ Reconozco los procesos históricos de la electricidad y la importancia que ésta tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana. Del saber hacer: Ȼ Utilizo los antecedentes históricos de la electricidad para realizar una presentación cronológica de su desarrollo. Del saber ser: Ȼ Valoro la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos utilizados en la vida diaria.
Desarrollo de saberes
Actividad de aprendizaje 3 En el siguiente cuadro escribe las aportaciones que realizaron a la electricidad cada uno de los personajes siguientes. Personaje Benjamín Franklin
Otto de Güericke
Charles Coulomb
Invento o aportación a la electricidad
Alessandro Volta
102
Georg Ohm
Michael Faraday
Historia de la electricidad Desde la aparición del hombre, éste se ha preocupado por tratar de entender los fenómenos de la naturaleza y, en algunos casos, reproducirlos. El estudio de la electricidad comenzó tras observar que diferentes objetos ligeros eran atraídos al acercar un trozo de un material fósil llamado ámbar. La gente se preguntaba qué clase de “magia” o “poder sobrenatural” era lo que hacía que ocurriera ese fenómeno. Se puede considerar que los griegos fueron los primeros en experimentar UHVXOWDGRVFRQODHOHFWULFLGDG7DOHVGH0LOHWR ²D& PDWHPiWLFRJULHJR IXHHOSULPHURHQDÀUPDUORTXHSDVDEDFRQHVWHPDWHULDODOIURWDUORFRQODSLHO de un animal. Al transcurrir el tiempo, surgieron diferentes personajes que dedicaron su vida a estudiar y desarrollar los conceptos y propiedades de la electricidad. Entre ellos podemos mencionar a Benjamín Franklin, quien es considerado el padre de la electricidad por muchos autores, al inventar el pararrayos. Existen muchos otros personajes que hicieron sus aportaciones a la electricidad y, con ello, contribuciones a la sociedad moderna. En la actualidad somos testigos de los avances que se han desarrollado en materia de electricidad y electrónica, por ejemplo: el teléfono celular, las cámaras digitales, las consolas de videojuegos, la televisión y muchos más que han utilizado los avances para fabricarlos más pequeños, fáciles de utilizar e incluso integrar más funciones. No debemos olvidar el esfuerzo que en materia de ahorro de energía que están realizando los fabricantes de aparatos eléctricos y los gobiernos del mundo, a ÀQGHTXHODSURGXFFLyQGHHOHFWULFLGDGGLVPLQX\DHQFRVWRV\SXHGDHVWDUDODOFDQFH GHWRGDODSREODFLyQ'HLJXDOPDQHUDGHEHPRVKDFHUFRQFLHQFLD\UHÁH[LRQDUVREUH ODLPSRUWDQFLDTXHWLHQHODHOHFWULFLGDGHQQXHVWUDVYLGDVDÀQGHYDORUDUVXXWLOLGDG
en todos los ámbitos del medio que nos rodea. En nuestro estado hemos vivido las experiencias de no contar con electricidad por varios días, cuando han azotado al territorio huracanes de gran fuerza, que han dañado las estructuras y las líneas de suministro de energía.
103 “Electricidad” proviene de la palabra griega elektron, que VLJQLÀFD´iPEDUµ
Figura 3.3 Benjamín Franklin (1706-1790), FLHQWtÀFRHLQYHQWRUQRUteamericano, considerado padre de la electricidad por sus aportaciones a la misma.
Figura 3.4 El pararrayos, invento de Benjamín Franklin que permite que el rayo se descargue hacia la corteza terrestre sin ocasionar daños a la estructura que lo sostiene.
Figura 3.5 Daños de un huracán a las líneas de conducción de electricidad.
Actividad de aprendizaje 4 1— (QFXHQWUD\HVFULEHODVGHÀQLFLRQHVGHODVVLJXLHQWHVSDODEUDV Ȼ Electricidad:
Ȼ Electrostática:
Ȼ Electrodinámica:
2— En equipos de trabajo de cinco compañeros, realiza en un papel bond una línea del tiempo presentando los antecedentes históricos de la electricidad, desde sus inicios hasta el siglo XX.
Síntesis 1— Investiga con personas que hayan vivido el paso del huracán Isidoro en 2002 por nuestro estado, respecto a las situaciones que tuvieron que enfrentar debido a la falta de electricidad y la importancia que le dieron al no contar con ella por varios días.
/DHOHFWULFLGDGVHGHÀne como la manifestación de la energía.
104
2— Escribe en tu libreta el impacto que tiene la electricidad en el mejoramiento o deterioro del medio ambiente, proporcionando un ejemplo de cada caso. 7al vez en alguna ocasión al abrazar a un amigo o familiar, habrás sentido que te “da toque” esta persona, sientes FRPRXQFKLVSD]RHQODSLHO¢7HKDVSUHJXQWDGRSRUTXp sucede esto? ¿Cuáles son las causas que dan origen a este fenómeno? Asimismo, cuando nos acercamos a la pantalla de nuestro televisor con el brazo o la cabeza sentimos cómo nuestros vellos o cabellos se acercan hacia ella atraídos por una fuerza que no podemos observar, pero VDEHPRV TXH HVWi SUHVHQWH 7DPELpQ SRGHPRV REVHUYDU cómo el polvo se va pegando a la pantalla del televisor o a ciertos objetos hechos de plástico; todo esto se debe a una propiedad que tienen los cuerpos de electrizarse o, dicho de otra manera, de cargarse eléctricamente. Esta propiedad la pueden obtener los cuerpos de maneras diferentes como veremos a continuación.
Figura. 3.6
Uno de tus hermanitos al estarse peinando para LUDODHVFXHODVHÀMDTXHDOWHUPLQDUGHSHLQDUVH\DVHQWDUHOSHLQHMXQWRDXQSHdacito de papel, éste se mueve y se acerca hacia el peine. Enseguida, asombrado por la experiencia, te pregunta lo siguiente: ¿Por qué se acerca el papel hacia el peine? ¿Cómo calculas la fuerza con la que se atraen? Contesta con tus propias palabras las preguntas anteriores.
Figura. 3.7 Figura 3.8
Figura 3.9
Sesión B: Electrostática Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ ,GHQWLÀFRORVFRQFHSWRVEiVLFRVGHODHOHFWURVWiWLFD\ODVGLIHUHQcias que existen entre ellos. Del saber hacer: Ȼ Empleo los conceptos de electrostática para comprender el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb. Ȼ Utilizo modelos matemáticos para determinar las fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico. Del saber ser: Ȼ Aprecio la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Electrostática La electrostática es la rama de la electricidad encargada de estudiar las FDUJDV HOHFWURVWiWLFDV HQ UHSRVR 7RGRV ORV FXHUSRV TXH QRV URGHDQ HVWiQ compuestos por materia, la cual a su vez está conformada por pequeñas partículas que no son visibles a simple vista, llamadas átomos. Los átomos tienen electrones que contienen carga eléctrica negativa, protones que poseen carga eléctrica positiva y por los neutrones que no tienen carga eléctrica. $Vt SRGHPRV DÀUPDU TXH OD carga eléctrica es una propiedad que poseen los electrones y los protones. Para representar las cargas positivas utilizamos el signo positivo (+) y para las cargas negativas el signo menos (-). La carga eléctrica se puede transmitir de una partícula a otra o de un cuerpo a otro; a este proceso le llamamos “electrizar un cuerpo” y consiste en que las partículas o cuerpos ganan o pierden electrones al interactuar entre ellos mismos. Existen tres formas de electrizar un cuerpo, te las presentamos a continuación.
Figura 3.10 Partículas que conforman el átomo.
105
Contacto: consiste en simplemente tocar los dos cuerpos entre sí.
106
Inducción: ocurre cuando un cuerpo excedido en carga eléctrica se acerca a otro sin tener que presentar contacto directo entre ellos.
Frotamiento: se presenta cuando dos cuerpos se frotan entre sí o por la fricción que existe entre ellos.
Formas de electrizar un cuerpo
Figura 3.11 Formas de electrizar un cuerpo: contacto, inducción y frotamiento.
La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas en el Sistema ,QWHUQDFLRQDO 6, VHOODPD&RXORPE & \VHGHÀQHFRPRODFDQWLGDGGHHOHFWURQHV que posee en exceso un cuerpo con respecto a lo que posee en su estado neutro. La equivalencia en electrones es la siguiente: . “Hacer tierra” VLJQLÀFDGHVFDUJDU un objeto cargado eléctricamente, consiste en establecer contacto del objeto electrizado con un objeto que se encuentre en contacto con el suelo.
De acuerdo con esto podemos proporcionar las cargas eléctricas del electrón y el protón en Coulombs. El protón (+e) tiene una carga de 1.6 × 10-19 y el HOHFWUyQ H WLHQHXQDFDUJDGHîù-19. Existen materiales en nuestro entorno que al estar formados por átomos contienen protones y electrones, a pesar de esta característica común entre ellos, no presentan la misma propiedad de poder conducir la electricidad. Así podemos FODVLÀFDUORVGHODVLJXLHQWHPDQHUD Clasificación de los materiales Materiales conductores: son los que se pueden electrizar en toda su superficie, al estar libres los electrones para moverse en todo el material.
Materiales aislantes o dieléctrico: son los materiales que se electrizan en los puntos donde son tocados por un cuerpo cargado o en la parte donde son frotados, y se debe a que en ellos la movilidad de los electrones es nula.
Materiales semiconductores: son materiales que presentan las propiedades intermedias de los conductores y los aislantes y se utilizan en la fabricación de implementos de electrónica.
Actividad de aprendizaje 5 Completa la siguiente tabla colocando en los espacios correspondientes ejemplos de cada tipo de material. Material conductor
Material aislante o dieléctrico
Material semiconductor
107
Actividad de aprendizaje 6 Contesta los siguientes enunciados: 1— Escribe la ley de la conservación de la carga.
2— Describe el funcionamiento de un pararrayos.
3— Describe cómo funciona y para qué sirve un electroscopio.
4— Describe en qué consiste la jaula de Faraday.
Ley de Coulomb En el año de 1785, Charles Coulomb estableció, gracias a sus experimentos sobre cargas eléctricas, la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas FDUJDGDVODFXDODÀUPDORVLJXLHQWH ´/DIXHU]DHOpFWULFDGHDWUDFFLyQRUHSXOVLyQ entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa”. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:
En donde:
108
Cantidad con prefijo
Cantidad en notación exponencial
Cantidad con símbolo
1 milicoulomb 1 microcoulomb 1 nanocoulomb 7DEOD7DEODGHHTXLYDOHQFLDVGHODXQLGDGGHFDUJDHOpFWULFD
Cabe mencionar que la expresión de esta ley sólo es válida cuando las cargas se encuentran en el vacío. Si las cargas se encuentran en un medio o sustancia aislante, la fuerza sufre una disminución, la cual variará de acuerdo al medio de que se trate. La relación que existe entre la fuerza eléctrica de dos cargas situadas en el vacío y en otro medio o sustancia aislante, se conoce como permitividad relativa RFRHÀFLHQWHGLHOpFWULFRGHOPHGLRRVXVWDQFLD0DWHPiWLFDPHQWHVHUHSUHVHQWD como:
Donde:
v
Material
Permitividad relativa*
Material
Permitividad relativa*
Aire
1.00059
PVC
3.2
Baquelita
4.9
PTFE (teflón)
2.1
Mica
5.4
Papel
3
Neopreno
6.9
Vidrio
6
Policarbono
3.0
Agua (20°C)
81
Permitividad del vacío:
109
7DEOD7DEODGHSHUPLWLYLGDGGHDOJXQRVPHGLRV
Problema resuelto Dos esferas metálicas conductoras idénticas están situadas con sus centros aleMDGRVPFRPRVHPXHVWUDHQODVLJXLHQWHÀJXUD$XQDGHHOODVVHOHGLRXQD PFRPRVH ÀJXUD$XQD carga de y a la otra una carga de . Encuentra la fuerza electrostática que ejerce una esfera sobre la otra.
Figura 3.12
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
El signo menos indica que la fuerza electrostática es de atracción.
Actividad de aprendizaje 7 Resuelve los siguientes ejercicios en tu libreta. 1— Al acercar tu brazo a la pantalla del televisor, sentiste cómo tus vellitos se levantaron y se dirigieron hacia ella. Suponiendo que la carga eléctrica de ellos es de 4 nanocoulombs y la pantalla del televisor tiene 6 nanocoulombs, encuentra la fuerza electrostática con la que se atraen hacia la pantalla, si estás separando tu brazo de ella 5 cm. 2— Encuentra la distancia en centímetros a la que se encuentra un pedacito de papel que tiene una carga eléctrica de 5×10-6C y un peine recién utilizado con carga eléctrica de 7×10-6C, si ambos se atraen con una fuerza HOHFWURVWiWLFDGHîù-3. 3— Una carga q1 μC se encuentra a una distancia de 25 cm de otra carga q2 μC DPEDV VLWXDGDV HQ HO DLUH FRPR VH DSUHFLD HQ OD ÀJXUD
Encuentra la fuerza eléctrica resultante y su sentido sobre una carga q3 îμC situada en medio de ellas. De igual manera encuentra la fuerza electrostática si las cargas estuvieran sumergidas en aceite.
110
Figura 3.13
Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico Como ya hemos visto anteriormente, las cargas eléctricas poseen diferentes tipos de carga, esto permite que al interactuar entre ellas se presenten las siguientes situaciones: las cargas de diferentes signo se atraen y las cargas de igual signo se UHSHOHQORFXDOVXFHGHDXQFXDQGRVHHQFXHQWUHQVHSDUDGDVVLJQLÀFDQGRTXHODV FDUJDVVLHPSUHVHHQFXHQWUDQURGHDGDVSRUXQFDPSRHOpFWULFRTXHLQÁX\HVREUH la región situada alrededor de las cargas. Este campo eléctrico no se puede ver, pero la fuerza que ejerce sobre objetos cargados permite detectar su presencia y medir su intensidad. (OFDPSRHOpFWULFRGHODVFDUJDVVHSXHGHUHSUHVHQWDUJUiÀFDPHQWHPHGLDQWHOtQHDVGHIXHU]D$FRQWLQXDFLyQWHSUHVHQWDPRVHQODVVLJXLHQWHVÀJXUDV ejemplos de esta representación.
Figura 3.14 Campo eléctrico de la carga positiva.
Figura 3.15 Campo eléctrico de la carga negativa.
Figura 3.16 Campo eléctrico de dos cargas positivas, se observa la repulsión entre ambas.
Figura 3.17 Campo eléctrico de dos cargas diferentes, se observa la atracción entre ellas.
Para calcular la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva llamada carga de prueba. Ésta es colocada en un punto de la región a investigar, si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, se dice que en ese punto existe un campo eléctrico, cuya intensidad es igual al cociente entre la fuerza y el valor de dicha carga de prueba. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:
111 Donde:
Ahora bien, si deseamos calcular el campo eléctrico a una determinada distancia del centro de una carga eléctrica utilizamos la siguiente expresión matemática.
Donde:
Figura 3.18 En esta imagen se observa la intensidad del campo eléctrico una distancia r del centro de dicha carga.
producido por la carga q a
Cuando tenemos varias cargas eléctricas alrededor de un punto y se desea conocer la intensidad del campo eléctrico en dicho punto, la resultante será la suma vectorial de cada uno de los campos eléctricos producidos individualmente SRUFDGDXQDGHODVFDUJDVFRPRVHSXHGHREVHUYDUHQODVLJXLHQWHÀJXUD
112
Figura 3.19
Problema resuelto 1— Una carga de prueba de 4μC recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 3×10-4. Encuentra la intensidad del campo eléctrico en el punto donde se encuentra colocada la carga. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
2— Encuentra la intensidad del campo eléctrico en un punto situado a una distancia de 20 cm de una pantalla de televisor, que tiene una carga eléctrica de 3.4nC. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Actividad de aprendizaje 8 1— Un avión vuela a través de una gran nube a una altura de 3 000 m. Si hay una concentración de carga de 50 C a una altura de 4000 m dentro de la nube y 60 C a una altura de 2 000 m, encuentra el campo eléctrico en el exterior de la nave y dentro de la misma. 2— Encuentra la intensidad del campo eléctrico en un punto situado a 5 cm de distancia de un enchufe de corriente, que tiene una concentración de carga igual a 15 microcoulombs. 3— Encuentra la intensidad del campo eléctrico en un punto A situado en medio de dos cargas puntuales q1 μC y q2 îμC , ambas separadas por una distancia de 15 cm. De igual manera encuentra la fuerza que actuaría sobre una carga de 2μC, si ésta se colocara en ese mismo punto A.
Síntesis 1— Investiga y escribe en tu libreta los ejemplos de cuatro animales que utilicen la electricidad como medio de supervivencia. 2— Investiga y escribe en tu libreta sobre el funcionamiento del generador Van de Graaf.
Contextualización A lo largo de nuestra vida nos hemos enfrentado a diferentes situaciones relacioQDGDVFRQODHOHFWULFLGDGSRUHMHPSOR WHKDVÀMDGRFXDQGRFRQHFWDVWXPHPRULD USB a la computadora cómo parpadea una luz que nos indica que está accediendo a tus archivos guardados en ella; de igual forma tus padres te han advertido que no toques el refrigerador con los pies mojados o sin zapatos, para que no recibas una descarga eléctrica o, como decimos comúnmente, que nos dé “toque”. La electricidad nos ha proporcionado comodidades y facilidades para poder utilizarla, cuando se descarga tu teléfono celular, lo que haces es conectarlo a un enchufe o a una computadora por medio de un cable conector USB, para poder utilizarlo de nuevo. Al realizar esto, la energía eléctrica se almacena en el teléfono para que pueda seguir funcionando. De igual forma, se han desarrollado aparatos que permiten almacenar la energía eléctrica por breves lapsos de tiempo para poder seguir trabajando, como en el caso de los no breaks (reguladores), utilizados en la computadora para no perder nuestros archivos. Seguramente has visto las tabletas de circuitos eléctricos que son utilizados en diferentes aparatos electrónicos como televisores, celulares y computadoras. Estos circuitos se encargan de regular las funciones de los componentes electrónicos y del paso de la electricidad en ellos. En esta sesión nos enfocaremos a estudiar la parte de la electricidad llamada electrodinámica, que se encarga del estudio del movimiento de las cargas eléctricas.
Problematización Seguramente has escuchado alguna vez en tu casa las exclamaciones de tus padres el día que llega el recibo de corriente eléctrica que se consume en tu hogar, por los elevados consumos de la misma y por la cantidad de dinero que se destinará para pagar la deuda. En muchas ocasiones te llaman la atención por tener encendido
113
114
demasiado tiempo el televisor o la computadora y piensan que estás utilizando de PDQHUDLQHÀFLHQWHODFRUULHQWHHOpFWULFD\ODGHVSHUGLFLDV,JXDOPHQWH HVFXFKDV que tus padres no saben cómo interpretar la información que tiene el recibo con respecto al consumo de corriente. ¿Cómo calcularías el consumo de corriente de los aparatos eléctricos de tu hogar para orientar a tus padres? ¿De qué manera podrías calcular el pago que se realiza por el consumo de corriente? ¿Qué aspectos tendrías que considerar para saber si el consumo es correcto? Contesta con tus propias palabras a las cuestiones anteriores
Figura 3.20
Figura 3.21
Sesión C: Electrodinámica Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ ,GHQWLÀFRODVFDUDFWHUtVWLFDVGHORVFLUFXLWRVFRQUHVLVWHQFLDVFRlocadas en: serie, paralelo y mixto. Del saber hacer: Ȼ Diferencio entre corriente directa y alterna. Ȼ $SOLFRORVFRQFHSWRVGHHOHFWURGLQiPLFDSDUDH[SOLFDUHOÁXMRGH carga o corriente dentro de un conductor. Ȼ Establezco la relación entre la corriente que circula por un conductor y la diferencia de potencial que está sometido y utiliza modelos matemáticos para expresarla (ley de Ohm).
Ȼ Expreso las unidades de potencia eléctrica en su vida cotidiana. Ȼ Diferencio las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto. Del saber ser: Ȼ 0XHVWURLQWHUpVSDUDLGHQWLÀFDUORVWLSRVGHFLUFXLWRTXHKD\HQ su alrededor. Ȼ Aprecio la importancia de utilizar modelos matemáticos en la resolución de problemas que impliquen determinar resistencia, corriente y voltaje en diferentes circuitos eléctricos: serie, paralelo y mixto.
Desarrollo de saberes
La electrodinámica En la sesión anterior estudiaste la naturaleza de las cargas eléctricas, ahora te enfocarás en la manera en que se distribuyen hacia los aparatos eléctricos que utilizas en tu hogar. Como ya hemos mencionado, la electrodinámica es la parte de la electricidad que estudia las cargas eléctricas en movimiento. &RPHQ]DUHPRVGHÀQLHQGRDODFRUULHQWHHOpFWULFDFRPRHOPRYLmiento de las cargas negativas a través de un conductor, originada por el PRYLPLHQWRRÁXMRHOHFWUyQLFRDWUDYpVGHXQFRQGXFWRUGHELGRDODH[LVWHQcia de una diferencia de potencial que permite que los electrones circulen GHXQDWHUPLQDOQHJDWLYDDXQDSRVLWLYD(OÁXMRGHHOHFWURQHVVHSUHVHQWD en los metales, los líquidos llamados electrolitos y en los gases. Existen dos tipos de corriente eléctrica: la continua (CC) que obtenemos de pilas, baterías y utilizamos en relojes, lámparas de mano, dispositivos de audio como MP3, teléfonos celulares o el control del televisor. El otro tipo es la corriente alterna (CA) y es la que utilizamos en nuestros aparatos electrodomésticos y se obtiene a partir de plantas generadoras de corriente eléctrica.
)LJXUD5HSUHVHQWDFLyQJUiÀFDGHODFRUULHQWHDOWHUQD\ODFRUULHQWHFRQWLQXD
115
La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo. Expresado matemáticamente tenemos:
116 Donde:
La intensidad de la corriente eléctrica tiene por unidad en el SI al Ampere (A) y se utilizan mucho en la práctica unidades muy pequeñas de ella, como el PLOLDPSHUH P$ ù-3A y el microampere (μA ù-6A.
Figura 3.23 El Amperímetro es un instrumento que nos permite medir la intensidad de la corriente eléctrica; es de gran ayuda, ya que la electricidad no se puede ver, solamente se puede detectar y FXDQWLÀFDUSRUORVHIHFWRVTXHSURGXFH
Problema resuelto Por el cable del cargador de tu celular circula una carga de 8 milicoulombs en 0.04 s. Encuentra la intensidad de la corriente eléctrica que circula a través del cable conductor. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Resistencia eléctrica Como viste anteriormente en la sesión B, existen materiales que son buenos conductores de la electricidad y otros que no lo son, debido a que éstos obstruyen más HOÁXMRGHHOHFWURQHVTXHORVSULPHURVSRUORTXHORVHOHFWURQHVHQFXHQWUDQFLHUWD resistencia al circular por el material. A continuación te presentamos un esquema GHORVIDFWRUHVTXHLQÁX\HQHQODUHVLVWHQFLDGHORVFRQGXFWRUHV
Longitud del conductor: a mayor longitud mayor resistencia.
La naturaleza del conductor: la plata tiene menor resistencia que el hierro para que circule la corriente.
Sección o área transversal: a mayor área menor resitencia.
Resistencia eléctrica: es la oposición que presenta un conductor al pasar corriente o flujo de electrones por él.
La temperatura: En los metales su resistencia aumenta proporcionalmente a su temperatura.
La unidad de la resistencia eléctrica en el SI es el Ohm ( ). Si deseamos conocer la resistencia de un alambre conductor a una determinada temperatura (0ºC), utilizamos la siguiente fórmula:
Donde:
Para calcular la resistencia de un conductor a cierta temperatura t, si conocemos su resistencia a una temperatura de 0ºC, utilizamos la siguiente expresión:
117
Donde:
118
Metales
Aleaciones
Aislantes
Magnanina
44 × 10
-8
Ámbar
5 × 10-14
1.72 × 10-8
Constantán
49 × 10-8
Vidrio
1010ï-14
Oro
2.44 × 10-8
Nikelcromio
100 × 10-8
Lucita
> × 1013
Aluminio
2.75 × 10-8
Mica
10-11ï-15
Tugsteno
5.25 × 10-8
Grafito
3.5 × 10-5
Cuarzo (fundido)
75 × 1018
Acero
20 × 10-8
Germanio
0.60
Azufre
1015
Plomo
22 × 10-8
Silicio (puro)
2300
Teflón
> × 1013
Mercurio
95 × 10-8
Madera
108ï11
Plata
1.47 × 10
-8
Cobre
Semiconductores
7DEOD5HVLVWLYLGDGŬ öP GHDOJXQRVPDWHULDOHVDWHPSHUDWXUDDPELHQWH & Cfr: Sears, Zemansky, Young y Freedman (1999): Física universitaria vol. 2. México. Addison Wesley Longman.
Material
Coeficiente a 20°C (1/K)
Material
Coeficiente a 20°C (1/K)
Plata
3.8 × 10-3
Acero
5.0 × 10-3
Cobre
3.9 × 10-3
Mercurio
0.9 × 10-3
Aluminio
3.9 × 10
Carbón
ïð-3
Tugsteno
4.5 × 10-3
Germanio
ïð-2
-3
7DEOD&RHÀFLHQWHVGHWHPSHUDWXUDVGHDOJXQDVVXVWDQFLDV
Problema resuelto 1— Determina la resistencia eléctrica de una línea conductora fabricada con alambre de aluminio, la cual será tendida a lo largo de 12 km, cuya sección transversal tiene un área de 3.14 cm2. Hay que considerar que la temperatura promedio del poblado en invierno es 0°C y se desea conocer la resistencia en ese periodo.
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
119
Con el resultado del problema anterior, encuentra la resistencia del mismo conductor si se instala en un lugar cuya temperatura la mayor parte del día es de 45ºC a la intemperie. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Ley de Ohm La siguiente ley que estudiaremos es de gran importancia cuando se elaboran circuitos eléctricos. Seguramente habrás notado que toda la corriente que circula en tu casa es controlada por un switch o centro de carga que contiene dos o tres implementos que de seguro conoces, sobre todo cuando deja de haber corriente en tu casa: los fusibles. Estos implementos se basan en esta ley para poder controlar las altas y bajas de la diferencia de potencial o voltaje y así poder proteger tus aparatos eléctricos por una sobrecarga o corto circuito, ya que de presentarse estas situaciones, el alambre o lámina que está dentro de los fusibles, se rompe para que deje circular corriente a tu casa. Esta es una aplicación de la ley de Ohm por medio de la resistencia.
Figura 3.24 Los fusibles son ejemplo de la aplicación de la ley de Ohm para poder proteger los aparatos eléctricos que utilizamos, de las sobrecargas de voltaje.
120
El físico y profesor alemán George Simon Ohm, al realizar sus experimenWRVXWLOL]yLQVWUXPHQWRVGHPHGLFLyQPX\FRQÀDEOHV\SRUORWDQWRSXGRREVHUYDU que al aumentar la diferencia de potencial en un circuito, mayor es la intensidad de la corriente eléctrica; también observó que al incrementar la resistencia del conductor disminuye la intensidad de la corriente eléctrica. Gracias a estos resultados, en 1827 enunció la siguiente ley: “la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”. Matemáticamente se expresa:
Donde:
Ampere, Ohm, Voltio, Coulomb, Farad y otras unidades y términos de la electricidad, provienen de los apellidos de ORVFLHQWtÀFRVTXH realizaron descubrimientos y aportaciones a esta rama de la Física, con ello se les inmortalizó gracias a sus aportaciones a la electricidad.
Problemas resueltos Encuentra la intensidad de la corriente de un aparato eléctrico conectado a un enchufe de tu casa, la cual tiene una línea de 115 V. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Las series de focos de navidad para protegerse utilizan fusibles que vieQHQHQXQFRPSDUWLPHQWRGHODFODYLMDFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD&DOFXODOD resistencia de una serie de foquitos por la cual circula una corriente de 3 A y se conecta a una línea de 125 V. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Figu
Actividad de aprendizaje 9 Realiza en tu libreta lo siguiente. 1— ,QYHVWLJDVREUHFyPR7KRPDV$OYD(GLVRQGHVDUUROOyHOIRFRLQFDQGHVcente. 2— (QFXHQWUDODUHVLVWHQFLDGHOÀODPHQWRGHWXQJVWHQRGHXQIRFRLQFDQdescente, cuya longitud es de 2.5 cm y el área de su sección transversal
121
es de 0.00080 mm2. 3— Completa la siguiente tabla con los valores que se te piden calcular de los siguientes aparatos electrodomésticos y electrónicos que utilizas en tu casa, suponiendo que el voltaje promedio que se le provee es de 110 V. Aparato eléctrico
Resistencia
Horno de microondas Licuadora
10 A 32.35
Plancha Televisor
10.90 A 152.77
Foco de 60W Figura 3.25
DVD
Intensidad de corriente
0.54 A 1000
Circuitos eléctricos En alguna ocasión habrás visto un dibujo o diagrama que tienen los aparatos eléctricos, pegados a sus espaldas, como el refrigerador y el televisor. Esas etiquetas SURSRUFLRQDQODUHSUHVHQWDFLyQJUiÀFDGHODPDQHUDHQTXHHVWiQLQWHUFRQHFWDdas las piezas que hacen posible que funcionen correctamente dichos aparatos. Igualmente, en alguna ocasión habrás observado dentro de un aparato electrónico una placa que tiene conectada varias piezas pequeñas unidas por líneas de color negro, como en el caso de las tarjetas madre de las computadoras. Pues bien, los ejemplos anteriores nos proporcionan una idea de lo que es un circuito eléctrico. (OFLUFXLWRHOpFWULFRHVXQVLVWHPDSRUHOFXDOÁX\HODFRUULHQWHD través de un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia GH SRWHQFLDO R YROWDMH (Q FXDOTXLHU FLUFXLWR HOpFWULFR LGHQWLÀFDPRV WUHV elementos: voltaje, intensidad de corriente y resistencia. Se dice que un circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema, y abierto cuando no circula por él. Si deseamos cerrar o abrir un circuito, utilizamos un interruptor. Como ejemplo consideremos el foco de tu cuarto, cuando está encendido el circuito está cerrado y cuando se apaga el circuito está abierto, el interruptor viene siendo el apagador, la resistencia el foco.
El sistema eléctrico que hay instalado en tu casa constituye un circuito eléctrico.
122
Figura 3.26 Ejemplos de circuitos eléctricos.
Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo y mixtos que son la combinación de los dos primeros. Los circuitos eléctricos en serie tienen las siguientes características: los elementos se conectan uno después del otro, así la corriente tiene una misma trayectoria; el circuito se interrumpe si se abre en cualquier punto, esto se aprovecha para proteger y controlar sistemas eléctricos; los fusibles y centros de carga se conectan en serie. En este tipo de circuito existe la misma cantidad de corriente en todos los elementos del circuito, el voltaje se distribuye entre todos sus elementos, la suma de la caída de voltaje de cada elemento es igual al voltaje aplicado (ley de Kirchhoff). A continuación te presentamos un circuito en serie con sus elementos simbolizados.
Figura 3.27 Circuito eléctrico con tres resistencias conectadas en serie.
Al conectar en un circuito dos o más resistencias en serie, podemos calcular la resistencia equivalente de la combinación de ellas, utilizando la siguiente expresión matemática:
Donde:
El voltaje total del circuito se calcula con la suma de las caídas de voltaje que hay en cada resistencia, como la corriente es igual en cada una de ellas, calculamos cada voltaje con la ley de Ohm, así tenemos que:
123
Actividad de aprendizaje 10 3DUDHOFLUFXLWRUHSUHVHQWDGRHQODÀJXUDHQFXHQWUDODUHVLVWHQFLDHTXLYDOHQte y la caída de voltaje en cada resistencia. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Los circuitos eléctricos en paralelo o también llamados circuitos de FRQH[LRQHVHQGHULYDFLyQ, presentan las siguientes características: los elementos se conectan entre dos alambres conductores que conducen hacia la fuente de voltaje; la corriente se divide entre los elementos conectados al circuito; el voltaje permanece con la misma cantidad en todos los elementos del circuito; si el valor de la resistencia es pequeño, la intensidad de la corriente será grande. A los alambres conductores y elementos del circuito se les llama ramales, mientras más ramales haya en el circuito, más trayectorias habrá apara la corriente, por lo que disminuye la resistencia total. Gracias a esto se presenta la siguiente propiedad: la resistencia total de un circuito, siempre tendrá menor valor que la del ramal con la resistencia de menor valor. Un ejemplo en donde podemos encontrar la utilización de este tipo de circuito es en la instalación eléctrica de nuestras casas, ya que gracias a sus características podemos conectar los aparatos eléctricos a los enchufes para que IXQFLRQHQFRUUHFWDPHQWHDOWHQHUHOPLVPRYROWDMHFDGDHQFKXIH7HSUHVHQWDPRV un ejemplo de un diagrama de circuito en paralelo.
124 Figura 3.28 Circuito eléctrico con tres resistencias conectadas en paralelo.
Para calcular la resistencia total del circuito utilizamos la siguiente expresión matemática:
Como la intensidad de la corriente se divide en cada resistencia. Para calcular la intensidad de la corriente en cada una de ellas, nos ayudamos de la ley de Ohm, con esto podemos encontrar la intensidad de la corriente en todo el circuito, con la siguiente fórmula:
Problema resuelto Encuentra la resistencia total y la intensidad de corriente del circuito eléctrico de ODÀJXUDDQWHULRU Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Los FLUFXLWRVPL[WRV son aquellos en los que se conectan las resistencias agrupadas tanto en serie como en paralelo. La forma de resolver este tipo de circuitos es calcular las resistencias equivalentes parte por parte de cada conexión, \DVHDTXHVHHQFXHQWUHHQVHULHRHQSDUDOHORFRQHVWRVLPSOLÀFDPRVHOFLUFXLWR hasta encontrar la resistencia equivalente de todo el sistema eléctrico. Por lo general se empieza a resolver en la parte contraria a la entrada de voltaje al circuito HOpFWULFR7HSUHVHQWDPRVXQHMHPSORUHVXHOWRDFRQWLQXDFLyQSDUDTXHREVHUYHV cómo se resuelve.
Problema resuelto En el siguiente circuito de conexiones mixtas de resistencias, calcula la resistencia total o equivalente del circuito y la intensidad de la corriente total que circula por el mismo.
Figura 3.29
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
125
Actividad de aprendizaje 11 Resuelve los siguientes ejercicios en tu libreta.
126
1— Una serie de focos de navidad d está es conformada por 10 de ellos, cada y se conectan a un tomacorriente de uno con una resistencia de 15 tu casa que provee un voltaje de 115 V. Encuentra la resistencia equivalente, la intensidad de la corriente que pasa por cada resistencia y el voltaje que habrá en cada foco. 2— En tu habitación se encuentran conectados en diferentes tomacorrientes el televisor, el DVD, la plancha y un foco de 60 W. Representa el circuito eléctrico y utiliza los valores de las resistencias que encontraste en el ejercicio 3 de la actividad de aprendizaje 9, para calcular la resistencia total del circuito y la intensidad de la corriente que circula por el mismo, considerando que el voltaje en tu habitación es de 110 V. 3— Para los siguientes circuitos eléctricos que se te presentan en las siguienWHVÀJXUDVHQFXHQWUDODUHVLVWHQFLDWRWDOGHOFLUFXLWR\ODLQWHQVLGDGGH corriente que circula por el mismo.
a)
b)
c)
Potencia eléctrica y el efecto Joule En esta parte de la sesión nos enfocaremos a estudiar la potencia eléctrica, que es parte importante para que sepas cómo podemos calcular la energía eléctrica que consumen los aparatos eléctricos que utilizas y para conocer la manera en que la CFE realiza los cálculos para cobrar la energía eléctrica que consumimos. La potencia eléctrica VH GHÀQH FRPR OD UDSLGH] FRQ OD TXH XQ aparato que emplea energía eléctrica realiza un trabajo; de igual manera se interpreta como la energía que consume una máquina o cualquier aparato HOpFWULFRHQXQVHJXQGR/DSRWHQFLDHOpFWULFDVHPLGHHQZDWWV : HQHO SI, que resulta de multiplicar la unidad de voltaje volt (V), por la unidad de intensidad de corriente que es el ampere (A). Matemáticamente se expresa:
Donde:
De igual forma, con base a la ley de Ohm, la potencia eléctrica la podemos calcular con las siguientes expresiones:
Ello nos indica que podemos calcular la potencia eléctrica si conocemos la intensidad de corriente y la resistencia, o si tenemos los valores del voltaje y la resistencia. Los valores de la potencia eléctrica de los aparatos eléctricos que utilizas vienen etiquetados en todos ellos, para que puedas realizar comparaciones sobre el consumo de energía que realizan y puedas tomar la decisión que más se ajuste a tus necesidades y requerimientos, al momento de comprarlos. La energía eléctrica TXHFRQVXPLPRVHQQXHVWUDVFDVDVODPLGHOD&)(HQNLORZDWW²KRUD N:K ODFXDO luego es multiplicada por el costo de una unidad de ella, la cual es aproximadamente de 0.623 pesos por los primeros 300 kWh consumidos al bimestre.
127
128
Figura 3.30 Recibo de consumo de energía eléctrica, hay diferentes tarifas dependiendo del consumo y de los períodos del año: tarifa de verano y tarifa de invierno, las cuales se aplican en algunos estados de nuestro país, incluyendo el nuestro.
Problemas resueltos 1— ¿Cuál es la potencia eléctrica que desarrolla una parrilla eléctrica conectada a un tomacorriente de 110 V, si circula una corriente por ella de 7 A? De igual manera encuentra la energía consumida en kWh si la utilizamos durante 35 minutos. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Encuentra la cantidad en pesos que te ahorras al bimestre en tu casa, al sustituir un foco incandescente de 75 W por un foco ahorrador de 22 W, el cual provee la misma iluminación que el primero. Considera que en promedio se enciende por un lapso de 270 minutos al día y que el costo de 1 kWh es de 0.623 pesos.
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
129
Efecto Joule y ley de Joule De seguro que al tocar un aparato eléctrico en funcionamiento, haz sentido que VHHQFXHQWUDFDOLHQWHSDUWHGHVXVXSHUÀFLHRWRGDHOOD/RVDSDUDWRVHOpFWULFRV generan calor al entrar en funcionamiento, debido a la circulación de la corriente eléctrica a través de él. La energía cinética de los electrones, al circular se transforma en calor y eleva la temperatura del conductor, así se origina el efecto Joule. /DOH\GH-RXOHDÀUPDTXH HOFDORUTXHSURGXFHXQDFRUULHQWHHOpFWULFD al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente. Matemáticamente se expresa:
Donde:
Ejemplos de la aplicación de esta ley son la plancha, la parrilla eléctrica, los secadores de pelo y las resistencias que se utilizan en los refrigeradores sin escarcha para derretir el hielo acumulado durante su funcionamiento en el evaporador.
130 Figura 3.31 Aparatos eléctricos que se basan de la ley de Joule para generar calor.
Problemas resueltos La plancha que utilizan en tu casa para quitar las arrugas de tu uniforme escolar, tiene una potencia de 1200 W. Calcula la cantidad de calor que produce al entrar en funcionamiento durante 75 minutos, si está conectada a un voltaje de 120 V. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en formula
Resultado
Actividad de aprendizaje 12 Resuelve los siguientes ejercicios en tu libreta. 1— Calcula la potencia eléctrica y la energía que consume un televisor por el cual circulan 0.85 A, al encontrarse conectado a una fuente de voltaje de 110 V y funcionando durante 5.5 horas. 2— Las pistolas secadoras de cabello que utilizan en los salones de belleza, funcionan gracias al efecto Joule. Encuentra la cantidad de calor que genera una de estas pistolas cuya potencia es de 1850 W al estar funcionando durante 5 minutos, si está conectada a una diferencia de potencial de 110 V.
Actividad de síntesis A continuación ponemos a prueba tus conocimientos adquiridos en el presente bloque, con una sección de reactivos tipo Ceneval. Escribe dentro del paréntesis la respuesta correcta.
1— Es la cantidad de electrones que pasa por cada sección de un conductor en un segundo. ( ) a– Voltaje b– Resistencia c– Intensidad de corriente
131
d– Potencia eléctrica 2— Este circuito tiene la característica de que la suma de la caída de voltaje de cada resistencia es igual al voltaje total aplicado. ( ) a– Mixto b– Paralelo c– Alterno d– Serie 3— Es la partícula del átomo que tiene carga positiva.
(
)
a– Neutrón b– Protón c– Electrón d– Ion 4— Así se les denomina a los materiales que no son buenos conductores de la electricidad. ( ) a– Conductores b– Semiconductores c– Dieléctricos d– Resistores 5— El refrigerador de un restaurante tiene una circulación de corriente de 2 A, al encontrarse conectado a una diferencia de potencial de 110 V. Su potencia eléctrica es: ( ) a– 55 W b– 0.018 W c– 100 W d– 220 W 6— La resistencia total de un circuito al conectar en serie a ella, tres apa, y es: ( ) ratos de resistencias a– b– c– d–
Realimentación Resuelve en tu libreta los siguientes ejercicios: 1— /D FDOFXODGRUD FLHQWtÀFD TXH XWLOL]DV SDUD KDFHU WX WDUHD WLHQH XQD fuente de voltaje de 1.5 V y una potencia de 0.002 W. Encuentra la cantidad de corriente que circula por ella y el valor de su resistencia.
132
2— Al conectar el cargador de tu celular a un tomacorriente que provee un voltaje de 110 V, circulan por él una intensidad de corriente de 95 mA. Encuentra la potencia del aparato y la cantidad de energía consumida si lo dejas conectado durante 90 minutos. 3— Con los datos que se proporcionan en las etiquetas de los siguientes aparatos eléctricos que utilizas en tu casa y con los cálculos necesarios, completa la siguiente tabla, sabiendo que el voltaje promedio que se provee en nuestros hogares es de 110 V y considerando un lapso de tiempo de funcionamiento de 90 minutos. Aparato eléctrico
Potencia
Intens. corriente
Resistencia
Energía consumida
Televisor Ventilador de pie Licuadora Plancha Horno de microondas DVD 4— Resuelve en tu libreta los siguientes circuitos eléctricos que se te preVHQWDQHQODVVLJXLHQWHVÀJXUDVHQFXHQWUDODUHVLVWHQFLDWRWDOGHOFLUcuito y la intensidad de corriente que circula por el mismo.
a–
b–
Actividad experimental 1. Determinación de cargas eléctricas y construcción de un electroscopio Propósito: ,GHQWLÀFDUODFDUJDHOpFWULFDGHXQFXHUSRPHGLDQWHORVHIHFWRVGHODDWUDFción y repulsión. Realizar la construcción de un electroscopio. Material
Cantidad
*Barra de plastilina
1
Alambre de cobre No. 8
40 cm
*Hilo
20 cm
Soporte Universal
1
Arillo de metal
1
*Esfera de unicel de 1 a 3 cm de diámetro
1
Barra de vidrio (agitado o varilla de este material)
1
*Regla de plástico de 30 cm
1
*Tela de seda *Clavo de 5 pulg.
1
*Tela de lana *Frasco de vidrio con tapa de plástico
1
*Papel aluminio de 20 cm de longitud
1
*Material que debe aportar el alumno. Antecedentes: El átomo está constituido por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual se encuentran partículas cargadas negativamente llamadas electrones. Los átomos son eléctricamente neutros, es decir, la cantidad de carga positiva en el núcleo es igual a la carga total de electrones alrededor de él. Un dispositivo para la detección y medición de cargas de pequeña magnitud es el electroscopio. Con este aparato puede determinarse el signo de una carga y de una forma indirecta su magnitud, así como una demostración a la ley de las cargas eléctricas: 1— Las cargas iguales se repelen entre sí, así sean dos cargas positivas o dos negativas. 2— Las cargas diferentes se atraen entre sí, las cargas positivas a traen a cargas negativas y viceversa. 3— La magnitud de las fuerzas eléctricas entre dos cuerpos cargados excede generalmente la atracción gravitacional entre los cuerpos.
133
Procedimiento 1 0RQWDUHOSpQGXORHOpFWULFRXWLOL]DQGRHOHVTXHPDGHVFULWRHQODÀJXUD Al extremo del hilo se suspenderá la esfera de unicel (nieve seca).
134
Figura 3.32
1— Frota la regla de plástico con la tela de lana y acércala a la esfera de unicel. 2— Repite la operación utilizando la tela de seda. 3— Frota la barra de vidrio con la tela de lana y acércala a la esfera de unicel. 4— Repite la operación utilizando la tela de seda. Observaciones: 1— Anota tus observaciones; escribe en la tabla siguiente si hay atracción o repulsión con la esfera de unicel en los experimentos realizados: Frotando con tela de: Lana Material
Seda
Plástico
Vidrio
2— ¢&yPRSRGUtDVLGHQWLÀFDUHOWLSRGHFDUJDTXHWLHQHODUHJODGHSOiVWLFR o la barra de vidrio al frotarse con la tela de seda o lana?
Procedimiento 2 1— Un frasco de vidrio con tapa de plástico (puede ser de mayonesa, café, etc.) 2— Atraviesa con el clavo la tapa de plástico. 3— &XEUHHOFODYRFRQSDSHODOXPLQLR\HQODSXQWDDGKLHUHRÀMDXQD WLUDGHOJDGDGHSDSHODOXPLQLRRHVWDxRHOFXDOGHEHSRVHHUÁH[LELOLGDG(OVLVWHPDFRQFOXLGRVHLOXVWUDHQODÀJXUD
Figura 3.33
4— Frota la regla de plástico con la tela de lana. Acércala hasta tocar la cabeza plana del clavo. Observa qué sucede con las láminas del papel aluminio o de estaño, en el interior del electroscopio. Retira y repite la acción y anota tus observaciones. 5— 7RFDFRQODPDQRODFDEH]DGHOFODYRFRQHOREMHWLYRGHGHVFDUJDU el electroscopio. 6— Frota la varilla de vidrio con la tela de seda y toca la cabeza del clavo; observa qué sucede con las láminas dentro del electroscopio. Retira y repite la acción y anota tus observaciones. 7— Se repiten los pasos 4, 5 y 6 por cada miembro del equipo, hasta que éstos determinen claramente qué tipo de carga (positiva o negativa) se tiene en la regla de plástico o en la varilla de vidrio y en las láminas de metal al interior del electroscopio. Observaciones: Con base en las observaciones realizadas en la práctica, llena la siguiente tabla: Material Plástico
Vidrio
Carga en el material
Carga en la lámina
135
Preguntas de la práctica: 1— ¿Qué tipo de carga se tiene en la regla de plástico y en la esfera de unicel, si se frotó con la tela de seda?
136
2— ¿Qué tipo de carga se tiene en la varilla de vidrio y en la esfera de unicel, si se frotó con la tela de lana?
3— ¿Qué utilidad práctica le darías al conocer las cargas de los materiales?
Actividad experimental 2. Elaboración de un circuito eléctrico Propósito: Aprender cómo se arma un circuito eléctrico y ser capaz de explicar su funcionamiento.
Material
Cantidad
Foco con base socket
3
Multímetro
1
Interruptor cola de rata
1
*Pila de 9 volts
2
*Cable calibre 18
2m
*Cinta aislante
1 rollo
*Tijeras
1
*Base de madera de 30 cm u 40 cm
1
*Material que debe aportar el estudiante. Antecedentes: 8Q FLUFXLWR HV XQ VLVWHPD HQ HO FXDO OD FRUULHQWH ÁX\H SRU XQ FRQGXFWRU HQ XQD trayectoria completa debido a una diferencia de potencial. Un foco conectado a una pila por medio de un conductor es un ejemplo de un circuito básico (Figura 3.34 a). En cualquier circuito eléctrico por donde se desplazan los electrones a través de una trayectoria cerrada, existen los siguientes elementos fundamentales: voltaje, corriente y resistencia. El circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula en todo el sistema, y abierto cuando no circula por él. Para abrir o cerrar el circuito se
emplea un interruptor. Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie )LJXUDE HQSDUDOHOR ÀJXUDF RHQIRUPDPL[WD&XDQGRXQFLUFXLWRVH conecta en serie, los elementos conductores están unidos uno a continuación del otro. Si el circuito se encuentra en paralelo, los elementos conductores se hallan separados en varios ramales y la corriente eléctrica se divide en forma paralela entre cada una de ellas. 8QFLUFXLWRPL[WRVLJQLÀFDTXHORVHOHPHQWRVFRQGXFWRUHVHVWiQFRQHFWDdos tanto en serie como en paralelo.
Figura 3.34
Procedimiento: 1— Arma un circuito sencillo con su interruptor, como se muestra en ODÀJXUD
Figura 3.35
2— Arma un circuito en serie y en paralelo como se muestra en la Figura 3.33 (b y c), primero uno y luego el otro. 3— Una vez armado el primer circuito (serie) quita una bombilla y observa. 4— Repite el paso anterior con el segundo circuito (paralelo) y observa. 5— En cada circuito armado, determina el voltaje y la intensidad de corriente.
137
Anota tus observaciones:
138
Resultados: 1— ¿Qué ocurre en el circuito cuando se mueve el interruptor? Explica tu respuesta.
2— ¿Qué ocurre en los circuitos (serie y paralelo) cuando quitas la bombilla? Explica tu respuesta.
3— Completa con tus datos los espacios provistos. Voltaje Circuito 1 Circuito 2 Circuito 3
Conclusiones:
Amperaje
Evaluación de la competencia Después de socializar los resultados de su aprendizaje, ubica tu nivel de desempeño en la adquisición de las competencias relacionadas con esta sesión con ayuda de tu facilitador, tomando en consideración el cumplimiento de los criterios presentados al inicio de cada sesión. Básico Resolutivo (5-6)
Criterio
Pre-formal (1-2)
Inicial-receptivo (3-4)
Reconozco los procesos históricos de la electricidad y la importancia que ésta tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana.
No reconozco los procesos históricos de la electricidad, ni la importancia que tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana.
Reconozco imprecisamente los procesos históricos de la electricidad, y la importancia que tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana.
Tengo ciertos elementos para reconocer los procesos históricos de la electricidad, y la importancia que tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana.
Utilizo los antecedentes históricos de la electricidad para realizar una presentación cronológica de su desarrollo.
No utilizo los antecedentes históricos de la electricidad para realizar una presentación cronológica de su desarrollo.
Utilizo con imprecisiones los antecedentes históricos de la electricidad para realizar una presentación cronológica de su desarrollo.
Utilizo con cierta inseguridad los antecedentes históricos de la electricidad para realizar una presentación cronológica de su desarrollo.
Valoro la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos y en la vida cotidiana.
No valoro la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos y en la vida cotidiana.
Muestro poca apertura para valorar la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos y en la vida cotidiana.
Valoro parcialmente la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos y en la vida cotidiana.
No conozco los Conozco vagamente los Tengo ciertos Identifico los conceptos básicos de conceptos básicos de elementos conceptos básicos de la electrostática la electrostática y las la electrostática y las conceptuales de la y las diferencias que diferencias que existen diferencias que existen electrostática y de las existen entre ellos. entre ellos. entre ellos. diferencias que existen entre ellos.
Autónomo (7-8)
Estratégico (9-10)
Reconozco con certeza los procesos históricos de la electricidad y la importancia que ésta tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana.
Argumento con fundamentos los procesos históricos de la electricidad y la importancia que ésta tiene en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica en la vida cotidiana.
Utilizo con argumentos Utilizo con certeza los los antecedentes antecedentes históricos de históricos de la electricidad la electricidad para realizar una para realizar una presentación presentación cronológica de su cronológica de su desarrollo. desarrollo. Valoro la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos y en la vida cotidiana.
Reconozco y valoro la importancia y el impacto de la electricidad en el diseño de equipos y aparatos eléctricos y en la vida cotidiana.
Identifico con certeza los conceptos básicos de la electrostática y las diferencias que existen entre ellos.
Identifico y argumento los conceptos básicos de la electrostática y las diferencias que existen entre ellos.
139
140
Empleo los conceptos de electrostática para comprender el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
No empleo conceptos de electrostática y no comprendo el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Vagamente empleo los conceptos de electrostática y comprendo el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Empleo parcialmente los conceptos de electrostática y comprendo de manera parcial el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Empleo con seguridad los conceptos de electrostática y comprendo certeramente el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Empleo bajo argumentos los conceptos de la electricidad y comprendo, argumentando, el comportamiento de las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Identifico con No puedo identificar Identifico los modelos Utilizo modelos certeza los modelos los modelos matemáticos para matemáticos para matemáticos para matemáticos para determinar las fuerzas determinar las determinar las fuerzas de atracción o fuerzas de atracción determinar las fuerzas de atracción o de atracción o repulsión de las cargas, o repulsión de las repulsión de las cargas, repulsión de las cargas, campo eléctrico y cargas, campo campo eléctrico y eléctrico y potencial campo eléctrico y potencial eléctrico, potencial eléctrico, pero no comprendo eléctrico. potencial eléctrico. y comprendo su su aplicación en cantidades aplicables aplicación en algunas cantidades aplicables en mi vida diaria. en mi vida diaria.
Utilizo los modelos matemáticos para determinar las fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico, y soy capaz de emplearlos en cantidades aplicables en mi vida diaria.
Utilizo los modelos matemáticos para determinar las fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico, y argumento cómo deben ser empleados en cantidades aplicables en mi vida diaria.
Aprecio la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
No valoro la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Muestro poca apertura para valorar la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Valoro parcialmente la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Valoro la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Reconozco con argumentos la importancia de los diferentes modelos matemáticos para estudiar las cargas eléctricas de acuerdo a la ley de Coulomb.
Identifico las características de los circuitos con resistencias colocadas en: serie, paralelo y mixto.
No conozco las características de los circuitos con resistencias colocadas en: serie, paralelo y mixto.
Conozco vagamente las características de los circuitos con resistencias colocadas en: serie, paralelo y mixto.
Tengo ciertos elementos conceptuales para identificar las características de los circuitos con resistencias colocadas en: serie, paralelo y mixto.
Identifico con certeza las características de los circuitos con resistencias colocadas en: serie, paralelo y mixto.
Argumento e identifico las características de los circuitos con resistencias colocadas en: serie, paralelo y mixto.
Diferencio entre corriente directa y alterna.
No identifico la diferencia entre corriente directa y alterna.
Identifico imprecisamente la diferencia entre corriente directa y alterna.
Tengo ciertos elementos conceptuales para identificar la diferencia entre corriente directa y alterna.
Identifico con certeza la diferencia entre corriente directa y alterna.
Argumento fundamentando la diferencia entre corriente directa y alterna.
Aplico los conceptos de electrodinámica para explicar el flujo de carga o corriente dentro de un conductor.
No puedo aplicar los conceptos de electrodinámica para explicar el flujo de carga o corriente dentro de un conductor.
Vagamente aplico los conceptos de electrodinámica para explicar el flujo de carga o corriente dentro de un conductor.
Aplico los conceptos de electrodinámica para explicar el flujo de carga o corriente dentro de un conductor.
Aplico con certeza conceptos de electrodinámica para explicar el flujo de carga o corriente dentro de un conductor.
Aplico con argumentos los conceptos de electrodinámica para explicar el flujo de carga o corriente dentro de un conductor.
Establezco Desconozco la Establezco con Puedo establecer Establezco erróneamente la relación entre la con certeza la argumentos relación la relación entre la Establezco la relación entre la corriente que circula relación entre entre la corriente corriente que circula relación entre la corriente que circula por un conductor y la por un conductor y la la corriente que que circula por corriente que circula diferencia de potencial por un conductor y la diferencia de potencial circula por un un conductor y la por un conductor diferencia de potencial que está sometido conductor y la diferencia de potencial que está sometido y la diferencia que está sometido y la utilización de diferencia de que está sometido y la utilización de de potencial que y la utilización de modelos matemáticos potencial que y la utilización de modelos matemáticos está sometido y para expresarla (ley de modelos matemáticos para expresarla (ley de está sometido modelos matemáticos utiliza modelos para expresarla (ley de Ohm). y la utilización para expresarla (ley de Ohm). matemáticos para de modelos Ohm). Ohm). expresarla (ley de matemáticos para Ohm). expresarla (ley de Ohm). Expreso las unidades de potencia eléctrica en la vida cotidiana.
No puedo expresar las unidades de potencia eléctrica en la vida cotidiana.
Expreso equivocadamente las unidades de potencia eléctrica en la vida cotidiana.
Expreso vagamente las unidades de potencia eléctrica en la vida cotidiana.
Expreso sin temor a equivocarme las unidades de potencia eléctrica en la vida cotidiana.
Expreso con argumentos las unidades de potencia eléctrica en la vida cotidiana.
Diferencio las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto.
No puedo diferenciar las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto.
Diferencio erróneamente las diferencias entre las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto.
Reconozco vagamente las diferencias entre las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto.
Reconozco sin temor a equivocarme las diferencias entre las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto.
Reconozco con argumentos las diferencias entre las características de los circuitos con resistencia en serie, paralelo y mixto.
141
Muestro interés para No muestro interés por Muestro escaso interés identificar los tipos identificar los tipos de por identificar los tipos de circuito que hay circuito que hay en el de circuito que hay en en el entorno. entorno. el entorno.
Identifico con dificultad los tipos de circuito que hay en el entorno.
Identifico sin temor a equivocarme los diferentes tipos de circuito que hay en el entorno.
Identifico con argumentos los diferentes tipos de circuito que hay en el entorno.
No aprecio la Aprecio la importancia de utilizar importancia de modelos matemáticos utilizar modelos en la resolución matemáticos en de problemas que la resolución impliquen determinar de problemas que impliquen resistencia, corriente determinar y voltaje en diferentes circuitos eléctricos: resistencia, corriente y voltaje en serie, paralelo y mixto. diferentes circuitos eléctricos: serie, paralelo y mixto.
Aprecio la Aprecio parcialmente importancia de la importancia de utilizar modelos utilizar modelos matemáticos en matemáticos en la resolución la resolución de de problemas problemas que que impliquen impliquen determinar determinar resistencia, corriente resistencia, y voltaje en diferentes circuitos eléctricos: corriente y voltaje en diferentes serie, paralelo y mixto. circuitos eléctricos: serie, paralelo y mixto.
Reconozco y aprecio la importancia de utilizar modelos matemáticos en la resolución de problemas que impliquen determinar resistencia, corriente y voltaje en diferentes circuitos eléctricos: serie, paralelo y mixto.
142 Muestro poca apertura para apreciar la importancia de utilizar modelos matemáticos en la resolución de problemas que impliquen determinar resistencia, corriente y voltaje en diferentes circuitos eléctricos: serie, paralelo y mixto.
127$6 143
Bloque IV: Relaciona la electricidad con el magnetismo Unidades de competencia Analiza las leyes del electromagnetismo y valora su impacto en el desarrollo de la tecnología y su vida cotidiana. Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemátiFDVRJUiÀFDV 6LJXH LQVWUXFFLRQHV \ SURFHGLPLHQWRV GH PDQHUD UHÁH[LYD FRPSUHQGLHQGR cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. ,GHQWLÀFDORVVLVWHPDV\UHJODVRSULQFLSLRVPHGXODUHVTXHVXE\DFHQDXQDVHULH de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. (OLJHODVIXHQWHVGHLQIRUPDFLyQPiVUHOHYDQWHVSDUDXQSURSyVLWRHVSHFtÀFR\ GLVFULPLQDHQWUHHOODVGHDFXHUGRDVXUHOHYDQFLD\FRQÀDELOLGDG 5HFRQRFHORVSURSLRVSUHMXLFLRVPRGLÀFDVXVSURSLRVSXQWRVGHYLVWDDOFRQRFHU nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 'HÀQHPHWDV\GDVHJXLPLHQWRDVXVSURFHVRVGHFRQVWUXFFLyQGHFRQRFLPLHQtos. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equiSRGHÀQLHQGRXQFXUVRGHDFFLyQFRQSDVRVHVSHFtÀFRV 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de maQHUDUHÁH[LYD 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
&RPSHWHQFLDVGLVFLSOLQDUHVEiVLFDVGHOFDPSRGHODVFLHQFLDVH[SHULPHQWDOHV Ȼ Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y HODPELHQWHHQFRQWH[WRVKLVWyULFRV\VRFLDOHVHVSHFtÀFRV Ȼ Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Ȼ ,GHQWLÀFDSUREOHPDVIRUPXODSUHJXQWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFR\SODQWHD las hipótesis necesarias para responderlas. Ȼ Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a pregunWDVGHFDUiFWHUFLHQWtÀFRFRQVXOWDQGRIXHQWHVUHOHYDQWHV\UHDOL]DQGR experimentos pertinentes. Ȼ Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Ȼ Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenóPHQRVQDWXUDOHVDSDUWLUGHHYLGHQFLDVFLHQWtÀFDV Ȼ +DFHH[SOtFLWDVODVQRFLRQHVFLHQWtÀFDVTXHVXVWHQWDQORVSURFHVRVSDUD la solución de problemas cotidianos. Ȼ Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nocioQHVFLHQWtÀFDV Ȼ Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesiGDGHVRGHPRVWUDUSULQFLSLRVFLHQWtÀFRV Ȼ Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modeORVFLHQWtÀFRV Ȼ Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
Dinamización (QODDFWXDOLGDGPXFKRVDSDUDWRVVLPSOLÀFDQQXHVWUDYLGDGLDULD ORVHPSOHDPRV en el hogar, en el trabajo, en la escuela, en hoteles, restaurantes, parques, centros comerciales y otros sitios, pero, ¿cómo funcionan?, ¿sólo necesitan de electriFLGDG"¢SRGUtDQXVDUVHHQXQSODQHWDGLIHUHQWHDOD7LHUUD"
146
Figura 4.1
Actividad de dinamización Responde lo que se te pide sin consultar ninguna fuente. 1— Dibuja un esquema del funcionamiento de un aparato eléctrico apoyándote en las siguientes imágenes.
Figura 4.2
2— ¿Cómo crees que se descubrió el magnetismo?
3— ¿Qué es el magnetismo?
147 4— Menciona tres aparatos de uso cotidiano que funcionen con imanes.
Contextualización ¢7HKDVSUHJXQWDGRDOJXQDYH]FyPRIXQFLRQDQORVWHOpIRQRVFHOXODUHV"¢7HDFXHUdas o te han platicado cómo eran esos teléfonos en los 90’s? Pues bien, la tecnoloJtDORVKDPRGLÀFDGRGHWDOPDQHUDTXHDKRUDFDEHQHQXQHVSDFLRPiVSHTXHxR que la palma de una mano. Esto no es un comercial: los avances del siglo XXI nos permiten llevar en forma discreta y sin causar molestia alguna teléfonos móviles, reproductores de música o video, juegos, datos y fotografías. ¿Cómo surgieron estos grandes inventos hechos por el hombre? ¿Crees que el desarrollo tecnológico tenga alguna relación con el estudio de la electricidad y el magnetismo?
Figura 4.3
Sesión A: Desarrollo histórico del estudio del electromagnetismo 148
Problematización El planeta donde vivimos se mantiene en una rotación constante debido a que su núcleo está constituido de hierro tanto sólido como líquido, que funciona como un dínamo; y, como no hay una fuerza externa que lo detenga, seguimos girando. $KRUDVXSRQJDPRVTXHXQGtDHOQ~FOHRGHOD7LHUUDGHMDUDGHURWDU ¿Qué efectos causaría tal evento? ¿Seríamos capaces de percibir que ya no hay rotación? ¿Los animales se comportarían diferente? ¿Continuaríamos nuestra vida de manera normal?
)LJXUD7LHUUD
Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ ,GHQWLÀFRORVDQWHFHGHQWHVKLVWyULFRVPiVLPSRUWDQWHVHQHOHVWXdio del electromagnetismo. Del saber hacer:
'HÀQLFLyQGHGtQDPR “aparato generador de energía eléctrica por medio de la fricción”.
Ȼ Realizo, con base en los antecedentes históricos del estudio del electromagnetismo, una presentación cronológica de los hechos y autores más sobresalientes que contribuyeron a su desarrollo. Del saber ser: Ȼ Participo activamente en grupos de trabajo valorando la imporWDQFLDGHOTXHKDFHUFLHQWtÀFR\VXLPSRUWDQFLDDFWXDOHQUHODFLyQ con el fenómeno del electromagnetismo.
Desarrollo de criterios En la antigüedad, el magnetismo y la electricidad se consideraban fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Se cree que los griegos fueron los primeros en observar el fenómeno del magnetismo. De hecho, cuenta una leyenda que un personaje llamado Magnes paseaba por el campo y en algún momento se quedo “pegado” al suelo, ya que Figura 4.5 Magnes.
las piezas de metal en su zapato fueron atraídas por la piedra magnetita que se encontraba en el terreno donde caminaba. El magnetismo es la atracción de ciertos objetos hacia un imán. Los imanes, que ejercen una fuerza de atracción sobre los metales, pueden VHUGHGRVWLSRV QDWXUDOHVRDUWLÀFLDOHV
149
Figura 4.6 Magnetismo
Con el tiempo, las observaciones realizadas con los imanes dieron como UHVXOWDGRODGHVFULSFLyQGHOtQHDVRSDWURQHVGHLQÁXHQFLDPDJQpWLFD 3LHUUH0DULFRXUW ODVXSRVLFLyQGHTXHOD7LHUUDHVXQHQRUPHLPiQ :LOOLDP*LOEHUW \HO descubrimiento de que los imanes no poseen polos aislados. En 1750, John Michell, utilizando la balanza de torsión, demostró que existen campos de atracción y repulsión entre los imanes. Este campo es el espacio GRQGHHOLPiQSXHGHHMHUFHULQÁXHQFLDVREUHDOJ~QREMHWR Durante las primeras décadas del siglo XIX, los descubrimientos de Oersted y luego de Ampère, quienes observaron que la aguja de una brújula se mantiene una posición perpendicular al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella, permitieron nuevas aportaciones en el campo. Asimismo, los estudios de Faraday sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno. La idea anterior fue propuesta y materializada por el físico escocés JaPHV&OHUN0D[ZHOO TXLHQOXHJRGHHVWXGLDUORVIHQyPHQRVHOpFWULFRV y magnéticos concluyó que ambos son producto de una misma interacción, a la que denominó interacción electromagnética. Esto le llevó a formular, alrededor del año 1850, las ecuaciones que llevan su nombre, con las cuales se describe el FRPSRUWDPLHQWRGHOFDPSRHOHFWURPDJQpWLFR(OPRGHORPDWHPiWLFRGH0D[ZHOO esencialmente postula que: Ȼ Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas. Ȼ No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
Figura 4.7 Reacomodo de los polos en un imán
No importa cuántas veces se fraccione o divida un imán, siempre aparecerá un polo norte y un polo sur.
Ȼ Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida. Asimismo, las cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
150
Con esta formulación teórica se dio inicio al estudio formal del elecWURPDJQHWLVPRFX\RGHVDUUROORKDSHUPLWLGRP~OWLSOHVDSOLFDFLRQHVFLHQWtÀFDV\ tecnológicas desde entonces hasta hoy día.
Actividad de aprendizaje 1 &RPSOHWDHOVLJXLHQWHPDSDFRQFHSWXDOFRORFDQGRODVGHÀQLFLRQHVHQHO espacio correspondiente:
Actividad de aprendizaje 2 Escribe en tu libreta tres ejemplos de imanes permanentes y tres ejemplos de imanes temporales.
Actividad de aprendizaje 3 Investiga las aportaciones de los siguientes personajes y realiza una línea de tiempo para evidenciar la importancia del estudio del electromagnetismo. Pierre Maricourt
Manuel Sandoval Vallarta
Joseph Henry
William Gilbert
Michael Faraday
-DPHV&OHUN0D[ZHOO
John Michell
Alessandro Volta
André Marie Ampère
Guillermo Weber
Hans Christian Oersted
7KpRSKLOH*UDPPH
Actividad de aprendizaje 4 Investiga y responde las siguientes cuestiones: 1— Menciona las partes del generador de energía eléctrica del siguiente diagrama.
151
Figura 4.8 Generador eléctrico
2— En la imagen se muestra la planta eléctrica de emergencia de un hospiWDO,GHQWLÀFD\GHVFULEHDOJXQDVGHVXVSDUWHV([SOLFDFXiQGR\FyPR inicia su funcionamiento.
Figura 4.9 Generador de emergencia
3— ¿Cuáles son las partes de un pequeño motor que hace girar las aspas de un ventilador de techo? Haz una lista de sus partes.
152
Figura 4.10 Ventilador
Actividad de síntesis 1— Investiga y escribe en tu libreta cómo se produce el fenómeno de las auroras boreales.
Contextualización ¿Cuándo se utilizó por primera vez el magnetismo? Cuenta una leyenda china que Hoang-ti, quien fuera el fundador del imperio chino, utilizó la “piedra imán” para encontrar a un grupo de rebeldes, pues sabía que éstos se habían resguardado en XQDVFROLQDVDOVXU\ODGHQVDQLHEODGLÀFXOWDEDVXXELFDFLyQ&RQODFDSWXUDGH los rebeldes, se extendió el uso de la “piedra imán” como sistema de ubicación. Se sabe que los chinos fueron los primeros en usar pedazos alargados de PDJQHWLWDSDUDXELFDUVHJHRJUiÀFDPHQWHSXHVKDEtDQREVHUYDGRTXHHVWDVSLH]DV siempre quedaban “alineadas” mediante algún tipo de energía. ¿Cómo se llama el instrumento cuyo uso se basa en esta observación?
Problematización
Figuras 4.11 y 4.12 Utilizamos los imanes con frecuencia en nuestra casa: desde un desarmador imantado, hasta los adornos para refrigeradores.
)iWLPDSUHSDUDXQDÀHVWDSDUDFHOHEUDUVXV;9DxRV\VHOHRFXUUHGDUFRPRUHFXHUGRDVXVDPLJDVPiVFHUFDQDVXQDVÀJXUDVGHFRUDWLYDVFRQLPiQSDUDSHJDUHQHO refrigerador. Su mamá la ayuda a realizar la compra, pero como aún le faltaban
RWUDVFRVDVSRUKDFHUGHMDQODVÀJXUDVGHQWURGHODXWRGRQGHOHVGDHOVROGLUHFWR durante muchas horas. Al llegar a su casa, intenta colocar los imanes en la puerta del refrigerador, pero éstos no se quedan pegados. ¿Por qué crees que ocurre? ¢$FDVR ORV LPDQHV TXH WLHQHQ ODV ÀJXUDV QR HVWiQ LPDQWDGRV" ¢3XHGHQ SHUGHU OD imantación?
153 $)iWLPDOHFDXVyFXULRVLGDGVDEHUSRUTXpVXVÀJXULWDVQRSRGtDQSHJDUVH al refrigerador; por tanto, investigó en un diccionario el concepto de magnetismo. /DGHÀQLFLyQGHFtD ´5DPDGHODItVLFDTXHVHHQFDUJDGHOHVWXGLRGHORVIHQyPHQRV magnéticos, causados por la interacción entre imanes y materiales ferromagnéticos”... Esto no pudo, sin embargo, responder sus interrogantes.
Sesión B: Magnetismo Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ Establezco las características de los imanes y de las interacciones magnéticas. Del saber hacer: Ȼ 'LIHUHQFLR LPDQHV QDWXUDOHV \ DUWLÀFLDOHV PDWHULDOHV IHUURPDJnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos, así como interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas. Ȼ Utilizo líneas de fuerza magnética para representar el campo magnético generado por imanes en forma de barra, circulares y de herradura. Del saber ser: Ȼ Valoro la importancia del uso del electromagnetismo en el mundo DFWXDO GHVDUUROODQGR XQ SHQVDPLHQWR FUtWLFR \ UHÁH[LYR \ XQD DFWLWXGFLHQWtÀFDSDUDDSOLFDUORHQODYLGDFRWLGLDQD
Actividad de aprendizaje 5 En forma individual, consulta al menos tres referencias que te permitan generar XQDGHÀQLFLyQPiVFRPSOHWDGHORVFRQFHSWRVLPiQ\PDJQHWLVPR&ySLDODVHQWX OLEUHWD\SRVWHULRUPHQWHFRPpQWDODVFRQWXJUXSR$OÀQDOL]DUORVFRPHQWDULRVHQ SOHQDULDHVFULEHHQHVWHDSDUWDGRXQDGHÀQLFLyQ
Desarrollo de criterios
?
¿ Cómo se define el magnetismo? 154
&RPRPHQFLRQDPRVDOSULQFLSLRGHOEORTXHHOPDJQHWLVPRVHUHÀHUHDODDWUDFFLyQ de ciertos materiales hacia un imán. Esta propiedad ha sido ampliamente utilizada por el ser humano; por ejemplo, la puerta de los refrigeradores posee dos cintas magnéticas que la mantienen cerrada, lo cual favorece la conservación de la temperatura y, por lo tanto, de los alimentos. Otro ejemplo son los tornillos, que se magnetizan de manera temporal para facilitar la atracción con el desarmador, lo cual nos permite ensamblar y ajusWDUSLH]DVVLQTXHpVWRVVHSLHUGDQRVHFDLJDQ 9pDVHODÀJXUD
Tipos de imanes ¿Alguna vez, mientras utilizabas una tijera, ésta atrajo un clip o una aguja? ¿Has observado cómo algunos desarmadores pueden atraer tachuelas o clavos? Seguramente te preguntarás por qué ocurre esto, si dichas herramientas no están hechas de “imán”. Pues bien, la razón es que existen dos tipos de imanes: por un lado, los naturales, que se fabrican de piedra imán o magnetita, que es en realidad un Figura 4.13 La magnetita es el imán natural que óxido de hierro (Fe3O4); y por otro, VHHQFXHQWUDHQYDULDV]RQDVGHOD7LHUUDeVWD atrae metales con facilidad. ORVDUWLÀFLDOHVTXHVRQFUHDGRVLQdustrialmente a partir de alguna aleación de metales, o de hierro dulce. /RVLPDQHVDUWLÀFLDOHVVHSURGXFHQFXDQGRXQPHWDOVHH[SRQHDXQFDPpo magnético generado por un solenoide. Pueden ser de dos tipos: temporales o permanentes. Los temporales son creados con una barra de hierro dulce, llamado DVtSRUVXVFDUDFWHUtVWLFDV\SURFHVRGHSXULÀFDFLyQ DXQTXHHOPHWDOVHLPDQWDDO cesar la corriente del solenoide pierde la propiedad. Los imanes permanentes se fabrican con acero templado o con aleaciones de níquel, cromo o cobalto. 7RGRVORVLPDQHVSURGXFHQDWUDFFLyQRUHSXOVLyQHQWUHHOORV\FRQRWURV materiales. Estos materiales se conocen como ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. Los ferromagnéticos son materiales que al estar en contacto con imanes son atraídos con facilidad; los paramagnéticos se imantan y son atraídos, pero al cesar la fuente pierden la propiedad, y los diamagnéticos no pueden ser atraídos por un imán porque se imantan en sentido inverso al campo magnético, ocasionando repulsión.
Actividad de aprendizaje 6 En forma individual, elabora un cuadro sinóptico sobre los tipos de imanes, toma como base la información proporcionada anteriormente y compleméntala investigando algunos ejemplos de cada tipo de material.
155
Campo magnético En una ocasión, Juan construía una maqueta para ESEM y se le ocurrió ponerles LPDQHVDVXVÀJXUDVSDUDQRWHQHUTXHSHJDUODVGHPRGRTXHSURFHGLyDFRORFDUODV debajo de los muñecos que había comprado. Cuando quiso colocarlos en la maqueta, los muñecos se caían y no se pegaban a la base de metal, aunque los pedazos de imán que sobraron eran atraídos. ¿Qué crees que le ocurrió?
En efecto, Juan pego al revés los imanes: la polaridad de éstos estaba equivocada y en vez de atraerse, se repelían. Michael Faraday, quien estudió con detalle las interacciones entre los exWUHPRVGHORVLPDQHVVHxDOyODSUHVHQFLDGHXQiUHDGHLQÁXHQFLDHQWUHHOORVOD FXDODFWXDOPHQWHVHFRQRFHFRPRFDPSRPDJQpWLFR(VWDiUHDVHLQWHQVLÀFDFXDQGR se acercan los imanes y disminuye cuando se alejan. Faraday imaginó que de cada extremo salían unas líneas a las que nombró líneas de fuerza magnética, estableciendo que las de un extremo salían del material y entraban en el otro. Con el tiempo se comprobó que las líneas del polo norte del imán salen y se curvan para entrar al polo sur. En cada polo, las líneas son más intensas por existir en mayor cantidad. William Gilbert demostró que si se colocan cerca dos polos opuestos la fuerza es de atracción, y si se acercan polos iguales, es de repulsión. Incluso en su obra De MagneteGHVFULEHDOD7LHUUDFRPRXQLPiQHQRUPH
V Figura 4.14 Las líneas de fuerza salen del polo norte y entran al polo sur, tanto en un mismo imán como entre imanes distintos.
Algo parecido sucede cuando se ponen en contacto cargas eléctricas. La diferencia entre los polos del imán y las cargas eléctricas consiste en que las cargas pueden estar aisladas, es decir, presentarse independientes en los materiales conductores, mientras que en los imanes siempre se encontrarán ambos polos en el material imantado. Aun cuando se corten, cada nuevo imán poseerá ambos polos.
Actividad de aprendizaje 7
156
De acuerdo con lo analizado en el texto sobre el campo magnético, dibuja las inWHUDFFLRQHVGHOFDPSRPDJQpWLFRHQODVÀJXUDVGHORVLPDQHVTXHVHWHSUHVHQWDQ Apóyate en tus compañeros y tu facilitador.
Fig. 4.15 Atracción del campo magnético
Fig. 4.16 Repulsión del campo magnético
Fig. 4.17. Atracción del campo magnético en un imán de herradura.
Magnetismo terrestre En días pasados, el papá de Miguel les enseñaba a él y a sus hermanos, la brújula que le sirve, cuando sale a pescar, para tener siempre presente la dirección que debe seguir. Miguel observaba que al cambiar de posición sobre su propio eje, la aguja de la brújula giraba también, apuntando a la misma dirección. El papá de Miguel le explicaba que la dirección que señala es el norte. Pero, ¿por qué se mueve la brújula?, ¿acaso hay imanes en el norte que atraen la aguja del imán?
Figura 4.18 La brújula es un instrumento que les sirve a los marineros, pescadores y campistas, para orientarse en sus travesías.
1XHVWURSODQHWD7LHUUDVHFRPSRUWDFRPRXQJUDQLPiQSXHVSRVHHSRORV magnéticos; por ello, una brújula se mueve siempre en dirección al norte. Los poORVPDJQpWLFRVGHOD7LHUUDGLÀHUHQGHORVSRORVJHRJUiÀFRVHVGHFLUHOSRORQRUWH JHRJUiÀFRVHHQFXHQWUDHQ&DQDGi\HOSRORVXUHQ$UJHQWLQD VLQHPEDUJRHOSROR norte magnético se encuentra hacia Argentina y el polo sur hacia Canadá.
157
)LJXUD (QODÀJXUDVHREVHUYDODGHFOLQDFLyQPDJQpWLFD HOSRORVXUPDJQpWLFRQRFRLQFLGHFRQHO PHULGLDQRGHOQRUWHJHRJUiÀFR
Aun cuando la brújula se mueve hacia el norte, los meridianos magnético y terrestre no coinciden, formando un pequeño ángulo de desviación. Este ángulo de desviación se conoce como declinación magnética y varía cada siglo.
Actividad de aprendizaje 8 En binas, investiga en internet algunas de las teorías relacionadas con el comportamiento magnético de la Tierra. Comparte la información en un pequeño debate en el salón. Fundamenta la teoría que tú creas más probable. Durante muchos años, se creyó que los efectos magnéticos estaban relacionados con la electricidad, al grado que se pensaba que eran el mismo fenómeQR6LQHPEDUJR0LFKDHO)DUDGD\)ULHGULFK*DXVV\RWURVFLHQWtÀFRVGHPRVWUDURQ su relación muy cercana, pero también intentaron determinar diferencias entre dichos fenómenos. (OFDPSRPDJQpWLFRGHOD7LHUUDHVWiUHODFLRQDGRFRQYDULRVIHQyPHQRV de la naturaleza; por ejemplo, las palomas mensajeras y las rayas emplean esta fuerza magnética para orientarse. Como recordarás, también la formación de las auroras boreales, así como las tormentas magnéticas generadas por el Sol, dependen del magnetismo terrestre. Ahora bien, algunos fenómenos magnéticos se relacionan con la electricidad, y éstos son aprovechados actualmente en la fabricación de radios, teleYLVLRQHVWHOpIRQRVGHWHFWRUHVGHPHWDOHV\WLPEUHV/RVFLHQWtÀFRVDQWHVPHQcionados, después de muchas investigaciones y conclusiones expuestas, apoyaron el concepto del electromagnetismo, que será el tema de estudio en la siguiente sesión.
Síntesis 1— (VFULEHODGHÀQLFLyQGHPDJQHWLVPR
2— Menciona el nombre de la piedra considerada imán natural.
Gracias a que en el SRORQRUWHJHRJUiÀFR se encuentra el “polo sur” de nuestro imán terrestre, es que la brújula nos sirve para indicarnos la ubicación.
Nuestro planeta ha sufrido inversiones en el campo magnético terrestre desde hace miles de años.
El campo magnético terrestre se ve sometido a pruebas de resistencia cada once años debido a que el Sol presenta actividad explosiva. Estas explosiones se llaman eyecciones de masa coronal y generan una inmensa cantidad de radiación electromagnética y partículas de alta energía que se mueven hacia la 7LHUUDSURYRFDQGR efectos en el clima, la producción de ozono y la generación de tormentas magnéticas. Incluso las telecomunicaciones, como las ondas de radio, el GPS (Sistema de posicionamiento global) y las líneas de alimentación eléctrica pueden verse afectados.
3— (VHOHVSDFLRGRQGHWLHQHQLQÁXHQFLDODVOtQHDVGHIXHU]DPDJQpWLFD
4— Es el nombre que recibe el ángulo de desviación que se forma entre el SRORQRUWHJHRJUiÀFR\HOSRORVXUPDJQpWLFR
158
5— &RQWHVWD´YHUGDGHURµR´IDOVRµDODVVLJXLHQWHVDÀUPDFLRQHV6LWLHQHV dudas consulta con el facilitador. Afirmación
Valor
Argumentación
El hierro es el único material ferromagnético. El oro es un ejemplo de material diamagnético. Los imanes permanentes se fabrican con barras de hierro dulce. El campo magnético generado en los polos es de menor intensidad que en cualquier otra parte de los imanes. En el teléfono se aplican principios electromagnéticos. En equipos de tres personas, investiguen el funcionamiento de algunos aparatos de uso cotidiano y dibujen las piezas que los componen; señalen la pieza donde se encuentran los imanes. Puedes seleccionar dos de esta lista: radio, televisión, teléfono, detector de metales, timbre, teléfono celular, computadora. Pide ayuda a tu facilitador para organizar la repartición de los aparatos.
Contextualización Cuando utilizamos algunos aparatos sabemos que consumen electricidad como fuente de energía, pero casi nunFDQRVSUHJXQWDPRVTXpLQÁX\HSDUDTXHHODSDUDWRFXPpla su función. Por ejemplo, ¿cómo en los ventiladores se pueden mover las aspas?, ¿qué ocurre en el interior del motor para que suceda este movimiento? De igual manera, sabemos que el cargador de tu celular funciona con un voltaje de 5 V, y sin embargo se conecta a una fuente de voltaje de 110 V ¿Cómo crees que se pueda cambiar el voltaje de una cantidad a otra?, ¿por qué no se incendia tu celular al cargar la pila? Seguramente también habrás observado en alguna película o programa documental, las enormes grúas que cargan objetos metálicos grandes, ¿cómo crees que funcione esta grúa? Estas cuestiones y otras más, podrás responderlas con lo que estudiaremos en esta sesión.
Figura 4.20
Sesión C: Electromagnetismo Problematización En la escuela uno de tus compañeros que cursa el segundo semestre es integrante de un grupo de rock y lleva su guitarra eléctrica para que escuches cómo suena, SHURGHUHSHQWHFXDQGRODFRQHFWDDODFRUULHQWH\DVXDPSOLÀFDGRUODJXLWDUUD QRVXHQD WXDPLJROHPXHYHDODWRPDGHFRUULHQWHODFRQH[LyQDODPSOLÀFDGRU ODVFXHUGDVODSDVWLOOD\QDGD2EVHUYDTXHKD\FRUULHQWH\HODPSOLÀFDGRUIXQciona, pero no la guitarra. Él no ha cursado la asignatura de Física 2, pero como tú la estás estudiando y ya has revisado el tema de electricidad y magnetismo, donde escuchaste de tu facilitador que en la guitarra eléctrica se aplican las leyes del electromagnetismo, ¿podrías orientar y ayudar a tu compañero para revisar el funcionamiento de la guitarra?, ¿podrías explicarle de qué partes se compone?, ¿puedes decirle qué parte de la guitarra requiere corriente eléctrica y por qué pudiera estar fallando?
159
Desarrollo de saberes Del saber: Ȼ Explico el concepto de campo magnético generado por una coUULHQWH\ORUHSUHVHQWRJUiÀFDPHQWHSRUPHGLRGHOtQHDVGHIXHUza magnética. Del saber hacer: Ȼ Describo las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán. Ȼ Comprendo las leyes del electromagnetismo, que describen el comportamiento de la corriente eléctrica y los campos magnéticos: Ley de Biot-Savart, Ley de Ampère, Ley de Gauss, Ley de Faraday y Ley de Lenz, y las utilizo para explicar fenómenos naturales de origen electromagnético. Ȼ Comprendo el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo. Ȼ Relaciono el magnetismo con la electricidad a través de experimentos sencillos. Del saber ser: Ȼ Valoro el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
Figura 4.21
Electromagnetismo El electromagnetismo nace como una rama de la física gracias a un experimento de Oersted, en 1820, que marcó la pauta para la producción de energía eléctrica, asociando el magnetismo y la electricidad.
160
¿Cómo fue su experimento? Sencillamente observó cómo la aguja de una brújula se desvía cuando se coloca cerca de un alambre que conduce corriente eléctrica. Esto fue la pauta para el desarrollo tecnológico basado en el electromagnetismo, en lo cual hemos observado grandes avances: en el transporte, con los trenes bala; en la música y el entretenimiento, con los instrumentos eléctricos, las grabadoras, las bocinas y el televisor; en la medicina, con los monitores de apnea y la resonancia magnética, y en la industria con los motores, los transformadores y los generadores de corriente eléctrica, entre muchos otros.
Figura 4.22 Aplicaciones del electromagnetismo.
La mayoría de las aplicaciones anteriores utilizan el electroimán, que consiste en arrollar cable o una bobina sobre un núcleo de hierro, lo que genera un campo magnético cuando circula corriente eléctrica por él.
Actividad de aprendizaje 9 Figura 4.23 Electroimán
En grupos de trabajo de tres integrantes, realiza una investigación y describe en tu libreta la manera en que funcionan los siguientes aparatos que utilizan el electromagnetismo. 1— Guitarra eléctrica. 2— Bocinas de equipos de audio. 3— 7UHQEDOD 4— Equipo de resonancia magnética.
El electromagnetismo VHGHÀQHFRPROD parte de la física encargada de estudiar la interrelación entre magnetismo y la electricidad con todos los fenómenos que se le asocian.
Campo magnético (OFDPSRPDJQpWLFRGHXQLPiQHVXQD]RQDTXHORURGHD\FX\DLQÁXHQFLD se puede detectar. El primero en estudiar este campo fue Michael Faraday (1791–1867), quien se imaginaba que del imán salían hilos o líneas que se esparcían en el espacio a las cuales nombró líneas de fuerza magnética. Faraday observó que estas líneas se hacían más intensas en los extremos del imán (polos). El campo magnético también es llamado inducción magnética RGHQVLGDGGHÁXMRPDJQpWLFR El campo magnético se representa por medio de líneas de fuerza que indican hacia dónde se dirigen y sobre qué actúan.
Figura 4.24 Campos eléctricos
Se pueden describir las propiedades del campo magnético B en cierto punto en términos de la fuerza magnética ejercida sobre una carga de prueba en ese punto. Nuestro objeto de prueba es una carga que se mueve con una velocidad v. Mediante la realización de experimentos se ha comprobado que la magnitud de la fuerza magnética sobre una carga es proporcional a la magnitud de la carga q, la magnitud de la velocidad v, la intensidad externa del campo magnético B y el VHQRGHOiQJXORť, formado con la dirección de v y la de B, como podemos observar HQODVLJXLHQWHÀJXUD
Figura 4.25
Matemáticamente lo podemos expresar de la siguiente manera:
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'H DTXt SRGHPRV SDUWLU SDUD GHÀQLU OD PDJQLWXG GHO FDPSR PDJQpWLFR con la siguiente expresión:
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Donde:
(O FDPSR PDJQpWLFR VH PLGH HQ OD XQLGDG GHO 6, OODPDGD WHVOD 7 R WDPELpQOODPDGDZHEHU :E SRUPHWURFXDGUDGRRVHD
. De igual
forma, se emplea en la práctica el gauss (G) del sistema CGS y la equivalencia de tesla en gauss es:
. Para determinar la dirección de la fuerza magnética F sobre una carga positiva utilizamos la regla de la mano derecha, la cual consiste en colocar la mano de manera vertical, con los dedos en la dirección de B y con el dedo pulgar apuntando hacia v. La fuerza F se dirigirá en forma perpendicular hacia la palma de la PDQRFRPRVHDSUHFLDHQODVLJXLHQWHÀJXUD
/D7LHUUDWLHQHXQFDPSRPDJQpWLFRFX\RYDORUHQVXVXSHUÀFLHHV de aproximadamente 0.5 G. Esta regla también es conocida como la Ley de Biot-Savart. $FRQWLQXDFLyQWHSURSRUFLRQDPRVXQJUiÀFRFRQODVOH\HVPiVLPSRUWDQtes que se utilizan en el electromagnetismo.
Figura 4.26 Regla de la mano derecha para determinar la dirección de la fuerza magnética .
Ley de Faraday
Ley de BiotSavart
Ley de Gauss
Electromagnetismo
Ley de Ampere
Ley de Lenz
Ley de Biot-Savart Indica el campo magnético creado por corrientes eléctricas estacionarias. (QHOFDVRGHODVFRUULHQWHVTXHFLUFXODQSRUFLUFXLWRVÀOLIRUPHV RFHUUDGRV OD FRQWULEXFLyQGHXQHOHPHQWRLQÀQLWHVLPDOGHORQJLWXG una corriente
del circuito recorrido por
crea una contribución elemental de campo magnético
punto situado en la posición que apunta el vector
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, en el
a una distancia r respecto de
, que apunta en dirección a la corriente I:
tario.
Donde 0 es la permeabilidad magnética del vacío, y
es un vector uni-
Ley de Faraday Establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporFLRQDODODUDSLGH]FRQTXHFDPELDHQHOWLHPSRHOÁXMRPDJQpWLFRTXHDWUDYLHVD XQDVXSHUÀFLHFXDOTXLHUDFRQHOFLUFXLWRFRPRERUGH
Donde torno C,
es el campo eléctrico,
HVHOHOHPHQWRLQÀQLWHVLPDOGHOFRQ-
es la densidad de campo magnético y SHVXQDVXSHUÀFLHDUELWUDULDFX\R
borde es C. Las direcciones del contorno C y de mano derecha.
están dadas por la regla de la
Ley de Ampére Relaciona el campo magnético con la corriente eléctrica que lo genera. Dada una VXSHUÀFLHDELHUWDS por la que atraviesa una corriente eléctrica I, y dada la curva CFXUYDFRQWRUQRGHODVXSHUÀFLHS, la forma original de la ley de Ampère para medios materiales es:
Figura 4.27
Donde:
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es la intensidad del campo magnético es la densidad de corriente eléctrica es la corriente encerrada en la curva C
Y se lee: La circulación del campo a lo largo de la curva C es igual al ÁXMRGHODGHQVLGDGGHFRUULHQWHVREUHODVXSHUÀFLHDELHUWDS, de la cual C es el contorno.
Ley de Lenz ´&XDQGRYDUtDHOÁXMRPDJQpWLFRTXHDWUDYLHVDXQDERELQDpVWDUHDFFLRQDGHWDO manera que se opone a la causa que produjo la variación”. (VGHFLUVLHOÁXMRDXPHQWDODERELQDORGLVPLQXLUi\VLGLVPLQX\HORDXPHQWDUi Para conseguir estos efectos, se generan corrientes eléctricas que a su vez creen ÁXMRTXHVHRSRQJDDODYDULDFLyQ6HGLFHHQWRQFHVTXHHQODERELQDKDDSDUHFLGR una corriente inducida, y por tanto, una fuerza electromotriz inducida.
Figura 4.28 El imán se introduce a la bobina en un sentido y genera una intensidad de corriente, pero si se retira en el sentido opuesto, la corriente cambia. Se induce la fuerza electromotriz.
Ley de Gauss para el campo magnético (OÁXMRGHOFDPSRPDJQpWLFRDWUDYpVGHFXDOTXLHUVXSHUÀFLHFHUUDGDHVQXOR
(VWR VH H[SOLFD GH OD VLJXLHQWH IRUPD HQ XQD VXSHUÀFLH FHUUDGD HQWUDQ WDQWDV OtQHDVFRPRODVTXHVDOHQ7DOFRPSRUWDPLHQWRLPSLGHTXHODVOtQHDVGHOFDPSR sean abiertas. Por tanto, la Ley de Gauss fundamenta que no hay cargas magnéti-
cas aisladas (monopolos), lo cual, en términos de imanes, quiere decir que no se puede separar el polo norte del polo sur.
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Figura 4.29 Líneas de campo en el polo.
Problemas resueltos 1— Un protón se mueve con una rapidez de
a través del
FDPSRPDJQpWLFRGHOD7LHUUDTXHWLHQHXQYDORUGH en un determinado lugar. Encuentra el valor de la fuerza magnética, si el protón se mueve hacia el este y la fuerza que actúa sobre él es máxima. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
2— Por una bobina plana de 15 vueltas, que tiene un diámetro de 25 cm, FLUFXOD XQD FRUULHQWH GH $ &DOFXOD OD GHQVLGDG GH ÁXMR PDJQpWLFR considerando que la espira se encuentra en el vacío.
Resultado
Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
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3— La bobina del motor or de un refrigerador re está conformada por un núcleo de hierro con una y por 1750 espiras, y tiene 18 m de longitud; por ella se hace circular una corriente de 2.75 A. Calcula la inducción magnética en este solenoide. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
4— Determina cuál es la corriente que debe circular por un alambre conGXFWRUTXHGHWHUPLQDXQDLQGXFFLyQPDJQpWLFDGHQ7HQXQSXQWR situado perpendicularmente a 20 cm. Datos
Fórmula
Despeje y sustitución en fórmula
Resultado
Actividad de aprendizaje 10 Investiga sobre la espira, el solenoide y el electroimán. Dibújalos en tu libreta.
Generador, transformador y motor eléctricos A partir del descubrimiento de la relación de la electricidad con el magnetismo, IXHURQPXFKRVORVHVIXHU]RVGHORVFLHQWtÀFRVSRUGHVDUUROODUQXHYDVWHFQRORJtDV que permitieran un mejor control de la electricidad, por buscar nuevas formas de producirla, y por diseñar y construir máquinas que tuvieran un movimiento perpetuo. Gracias a esto se pudieron inventar tres aparatos que son de gran importancia y utilidad para realizar las numerosas actividades de nuestra vida. Estos aparatos son:
Generador eléctrico
Trasformador
Motor electríco
aparato que sirve para transformar la energía mecánica en energía eléctrica
aparato que sirve para elevar o disminuir el voltaje de la energía eléctrica
aparato que sirve para transformar la energía eléctrica en energía mecánica.
Figura 4.30 Generador eléctrico, transformador y motor eléctrico.
Actividad de aprendizaje 11 1— Dibuja en tu libreta el esquema que represente la forma en que se componen un motor eléctrico, un transformador y un generador eléctrico. 2— Investiga y escribe en tu libreta cuatro formas de generación de corriente eléctrica y describe cada una de ellas.
Actividad de síntesis Realiza un modelo de un transformador eléctrico. Presenta el trabajo a tu facilitador explicando el funcionamiento de este dispositivo.
Realimentación Con la información recabada en este bloque elabora lo siguiente: Ȼ Un mapa mental en un papel bond, coloca ilustraciones de ser preciso. Ȼ Un listado de los aparatos que tengas en tu entorno en donde se aplique todo lo anteriormente visto, ilústralo y coloca en donde se usa habitual-
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mente. Ȼ 7XVFRQFOXVLRQHVDFHUFDGHORDSUHQGLGRFRQVLGHUDODVVLJXLHQWHVSUHguntas: ¿de qué me sirve saberlo?, ¿por qué necesito la información?, ¿cuál es la utilidad de todos los elementos utilizados?
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Evaluación de mis competencias En este apartado incluiremos algunos reactivos parecidos a los que se utilizan en ODSUXHED(1/$&(FRQHOÀQGH´DFWLYDUµORVVDEHUHVTXHKDVGHVDUUROODGRHQHO pasado e integrar tus conocimientos. Escribe dentro del paréntesis la respuesta correcta. 1— Para transformar la energía mecánica en eléctrica se utiliza el aparato llamado: ( ) D 7UDQVIRUPDGRUE &DSDFLWRUF *HQHUDGRUG 0RWRU 2— (VWD OH\ DÀUPDTXH OD FRUULHQWH LQGXFLGD HQ XQD ERELQD HVWDO TXH HO campo magnético producido por ella se opone al campo magnético del imán que lo genera ( ) a) Ley de Ampère
b) Ley de Lenz
c) Ley de Faraday
d) Ley de Gauss
3— Sustancia que es un ejemplo de material ferromagnético: a) Platino
b) Oro
c) Gadolinio
b) Se repelen
c) Se atraen con poca intensidad
)
d) Iridio
4— Al poner en contacto los polos norte de dos imanes de barra: a) Se atraen
( (
)
d) No pasa nada
Actividad Experimental 1. ELECTROMAGNETISMO Propósito: Explicaré la relación entre la corriente eléctrica y el magnetismo a partir de la observación de algunos fenómenos electromagnéticos.
Material
Cantidad
Brújula
1
Interruptor
1
Imán de barra
1
Microamperímetro
1
*Alambre conductor aislado
60 cm
*Clavo de 2 ½ pulg.
1
*Pila de 1.5 volts
1
*Clips o alfileres
Los necesarios
Bobina
1
*Material que debe aportar el estudiante. Antecedentes: El electromagnetismo es la parte de la física encargada de estudiar los fenómenos que resultan de las interacciones entre las corrientes eléctricas y el magnetismo. En 1820, Oersted descubrió que cuando circula corriente eléctrica por un alambre conductor, se forma inmediatamente un campo magnético alrededor de pO$PSqUHDVXYH]LGHQWLÀFyTXHHVWHFDPSRVHSRGtDLQWHQVLÀFDUDOHQUROODUHO alambre en forma de bobina. Asimismo, Faraday descubrió las corrientes eléctricas inducidas al realizar experimentos con una bobina a la que se le acercaba y alejaba un imán recto. La corriente inducida era más intensa cuando se movía más rápido el imán. De acuerdo con Faraday, tenemos que: “La inducción electromagnética es el fenómeno producido cuando un conductor se mueve en sentido transversal cortando las líneas de fuerza de un campo magnético, con lo cual se genera una fuerza electromotriz que induce una corriente eléctrica en el conductor”.
Procedimiento 1: 3DVR0RQWDUXQFLUFXLWRHOpFWULFREiVLFRFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD Para ello, usa el alambre conductor, la pila de 1.5 volts y el interruptor.
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Figura 4.31
Paso 2. Colocar la brújula en posición paralela al alambre conductor. Paso 3. Cerrar el interruptor. Observa lo que sucede con la brújula.
Procedimiento 2: Paso 1. Construir un pequeño electroimán, enrollando alambre delgado aislado alrededor del clavo grande de hierro. (Figura 4.32).
Figura 4.32
Paso 2. Conectar los extremos del alambre a la pila de 1.5 volts. 3DVR$FHUFDUFXDOTXLHUH[WUHPRGHOFODYRDORVFOLSVRDOÀOHUHV Observa lo que sucede.
Procedimiento 3: 3DVR0RQWDUXQGLVSRVLWLYRFRPRHQODÀJXUDWRPDQGRHQ FXHQWDTXHODERELQDGHEHHVWDUÀMD
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Figura 4.33
Paso 2. Introducir varias veces y con diferentes velocidades el polo norte del imán en el centro de la bobina. Paso 3. Observar la aguja del microamperímetro. Paso 4. Repetir el experimento, pero ahora con el polo sur del imán de barra. Resultados: 1— ¿Qué se observa en la brújula al cerrar el circuito eléctrico y al abrirlo? Explica tu respuesta.
2— ¿Qué sucedió al acercar cualquiera de los extremos del clavo a los clips RDOÀOHUHV"
3— ¿Qué uso práctico tienen los electroimanes?
4— ¿Qué se observa en la aguja indicadora del microamperímetro al introducir el imán y sacarlo?
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5— ¿Qué se observa en la aguja del microamperímetro al incrementar la velocidad con que se mueve el imán? Explica tu respuesta.
6— ¿Qué se observa en la aguja del microamperímetro al introducir el polo sur del imán de barra en la bobina?
7— ¿Qué sucede cuando el imán y la bobina permanecen quietos?
8— 'HÀQHFRQWXVSURSLDVSDODEUDVTXpVRQODVFRUULHQWHVLQGXFLGDV
9— 'HÀQHFRQWXVSURSLDVSDODEUDVHOIHQyPHQRGHLQGXFFLyQHOHFWURPDJnética.
10— Enuncia la ley del electromagnetismo de Faraday.
Anota tus observaciones:
Conclusiones:
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Evaluación de la competencia Después de socializar los resultados de tu aprendizaje, con ayuda de tu facilitador ubica tu nivel de desempeño en la adquisición de las competencias relacionadas con esta sesión, tomando en consideración el cumplimiento de los criterios presentados al inicio de cada sesión.
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Inicial-Receptivo (3-4)
Básico-Resolutivo (5-6)
Criterio
Pre-formal (1-2)
Identifico los antecedentes históricos más importantes en el estudio del electromagnetismo.
No identifico los antecedentes históricos más importantes en el estudio del electromagnetismo.
Identifico vagamente Identifico algunos los antecedentes antecedentes históricos más históricos más importantes en importantes en el estudio del el estudio del electromagnetismo. electromagnetismo.
Realizo, con base en los antecedentes históricos del electromagnetismo, una presentación cronológica de los hechos y autores más sobresalientes que contribuyeron a su desarrollo.
No realizo, con base en los antecedentes históricos del electromagnetismo, una presentación cronológica de los hechos y autores más sobresalientes que contribuyeron a su desarrollo.
Realizo vagamente, con base en los antecedentes históricos del electromagnetismo, una presentación cronológica de los hechos y autores más sobresalientes que contribuyeron a su desarrollo.
Participo activamente en grupos de trabajo valorando la importancia del quehacer científico y su importancia actual en relación con el fenómeno del electromagnetismo.
No participo activamente en grupos de trabajo valorando la importancia del quehacer científico y su importancia actual en relación con el fenómeno del electromagnetismo.
Participo activa y Participo vagamente Participo en Participo en grupos de algunos grupos de activamente en plenamente en grupos de trabajo valorando trabajo valorando trabajo valorando grupos de trabajo la importancia del la importancia del valorando la la importancia del quehacer científico quehacer científico quehacer científico importancia del y su importancia y su importancia quehacer científico y su importancia actual en relación actual en relación y su importancia actual en relación con el fenómeno del con el fenómeno del actual en relación con el fenómeno del electromagnetismo. electromagnetismo. con el fenómeno del electromagnetismo. electromagnetismo.
Establezco las características de los imanes y de las interacciones magnéticas.
No establezco las características de los imanes ni de las interacciones magnéticas.
Establezco vagamente las características de los imanes y de las interacciones magnéticas.
Autónomo (7-8)
Estratégico (9-10)
Identifico con certeza los antecedentes históricos más importantes en el estudio del electromagnetismo.
Identifico y justifico plenamente los antecedentes históricos más importantes en el estudio del electromagnetismo.
Realizo y justifico Realizo, con ciertos Realizo con certeza y con los antecedentes plenamente, con base antecedentes históricos del en los antecedentes históricos del históricos del electromagnetismo, electromagnetismo, electromagnetismo, una presentación una presentación una presentación cronológica de los cronológica de los cronológica de los hechos y autores hechos y autores más sobresalientes más sobresalientes hechos y autores más sobresalientes que que contribuyeron a que contribuyeron a contribuyeron a su su desarrollo. su desarrollo. desarrollo.
Establezco con certeza las características de los imanes y de las interacciones magnéticas.
Establezco puntualmente las características de los imanes y de las interacciones magnéticas.
Establezco y justifico las características de los imanes y de las interacciones magnéticas.
Diferencio imanes naturales y artificiales; materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos, así como interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.
No diferencio imanes naturales ni artificiales; materiales ferromagnéticos, diamagnéticos o paramagnéticos, ni las interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.
Diferencio vagamente imanes naturales y artificiales; materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos, así como interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.
Diferencio algunos imanes naturales y artificiales; materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos, así como interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.
Diferencio con certeza imanes naturales y artificiales; materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos, así como interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.
Diferencio y justifico imanes naturales y artificiales; materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos, así como interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.
No utilizo líneas de Utilizo vagamente Utilizo algunas Utilizo líneas de Utilizo certeramente Utilizo y justifico fuerza magnética para líneas de fuerza veces líneas de fuerza magnética líneas de fuerza líneas de fuerza magnética para fuerza magnética para representar el representar el campo magnética para magnética para magnético generado representar el para representar el representar el campo representar el campo campo magnético campo magnético campo magnético magnético generado magnético generado generado por imanes por imanes en forma generado por de barra, circulares y generado por imanes en forma de barra, por imanes en forma por imanes en forma de herradura. en forma de barra, imanes en forma de de barra, circulares y de barra, circulares y circulares y de barra, circulares y circulares y de herradura. de herradura. de herradura. de herradura. herradura. Valoro vagamente No valoro la Valoro la importancia la importancia importancia del uso del del uso del del uso del electromagnetismo electromagnetismo electromagnetismo en el mundo actual, en el mundo actual, en el mundo actual, desarrollando un desarrollando un ni desarrollo un pensamiento crítico pensamiento crítico pensamiento crítico y reflexivo y una y reflexivo y una o reflexivo ni una actitud científica para aplicarlo en la actitud científica para actitud científica para aplicarlo en la aplicarlo en la vida vida cotidiana. vida cotidiana. cotidiana. Explico el concepto de campo magnético generado por una corriente y lo represento gráficamente por medio de líneas de fuerza magnética.
No explico el concepto de campo magnético generado por una corriente ni lo represento gráficamente por medio de líneas de fuerza magnética.
Valoro algunas veces la importancia del uso del electromagnetismo en el mundo actual, desarrollando un pensamiento crítico y reflexivo y una actitud científica para aplicarlo en la vida cotidiana.
Valoro certeramente Valoro y justifico la importancia la importancia del uso del del uso del electromagnetismo electromagnetismo en el mundo actual, en el mundo actual, desarrollando un desarrollando un pensamiento crítico pensamiento crítico y reflexivo y una actitud y reflexivo y una científica para actitud científica aplicarlo en la vida para aplicarlo en la cotidiana. vida cotidiana.
Explico vagamente el Explico algunas Explico certeramente concepto de campo veces el concepto el concepto de magnético generado de campo campo magnético por una corriente magnético generado generado por y no lo represento por una corriente una corriente gráficamente por y lo represento y lo represento medio de líneas de gráficamente por gráficamente por fuerza magnética. medio de líneas de medio de líneas de fuerza magnética. fuerza magnética.
Explico y justifico el concepto de campo magnético generado por una corriente y lo represento gráficamente por medio de líneas de fuerza magnética.
175
176
Describo las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán.
No describo las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán.
Describo vagamente las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán.
Describo algunas características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán.
Describo con certeza las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán.
Describo y justifico las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica, para diferenciarlos en una espira, un solenoide y un electroimán.
No comprendo Comprendo Comprendo Comprendo Comprendo con Comprendo y las leyes del vagamente las leyes del algunas leyes del certeza las leyes del justifico las leyes del electromagnetismo, las leyes del electromagnetismo, electromagnetismo, electromagnetismo, electromagnetismo, que describen el electromagnetismo, que describen el que describen el que describen el que describen el que describen el comportamiento comportamiento de comportamiento comportamiento comportamiento comportamiento de la corriente la corriente eléctrica de la corriente de la corriente de la corriente de la corriente eléctrica y los y los campos eléctrica y los eléctrica y los eléctrica y los eléctrica y los campos magnéticos: magnéticos: Ley campos magnéticos: campos magnéticos: campos magnéticos: campos magnéticos: Ley de Biot-Savart, Ley de Biot-Savart, de Biot-Savart, Ley Ley de Biot-Savart, Ley de Biot-Savart, Ley de Biot-Savart, Ley de Ampère, Ley de Ampère, Ley de Ley de Ampère, Ley Ley de Ampère, Ley de Ampère, Ley de Ampère, de Gauss, Ley de Gauss, Ley de Faraday de Gauss, Ley de Ley de Gauss, Ley de Gauss, Ley de Gauss, Faraday o Ley de Lenz, y Ley de Lenz, y Faraday y Ley de Ley de Faraday Ley de Faraday Ley de Faraday ni las utilizo para las utilizo para y Ley de Lenz, y Lenz, y las utilizo para y Ley de Lenz, y explicar fenómenos explicar fenómenos las utilizo para explicar fenómenos y Ley de Lenz, y las utilizo para naturales de origen naturales de origen naturales de origen las utilizo para explicar fenómenos explicar fenómenos electromagnético. electromagnético. electromagnético. explicar fenómenos naturales de origen naturales de origen electromagnético. naturales de origen electromagnético. electromagnético. Comprendo el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo.
No comprendo el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico ni un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo.
Comprendo vagamente el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo.
Comprendo con certeza el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo.
Comprendo y justifico el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo.
Relaciono el magnetismo con la electricidad a través de experimentos sencillos.
No relaciono el magnetismo con la electricidad a través de experimentos sencillos.
Relaciono Relaciono Relaciono vagamente el algunas veces el certeramente el magnetismo con la magnetismo con la magnetismo con la electricidad a través electricidad a través electricidad a través de experimentos de experimentos de experimentos sencillos. sencillos. sencillos.
Relaciono y justifico el magnetismo con la electricidad a través de experimentos sencillos.
Valoro el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
No valoro el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
Valoro vagamente el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
Valoro algunas veces el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
Valoro y justifico el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
Comprendo algunos funcionamientos de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y las leyes del electromagnetismo.
Valoro con certeza el impacto del estudio del electromagnetismo en el diseño y desarrollo de equipos y aparatos electrónicos.
Bibliografía de Física II Ȼ Díaz, Jorge (2009): Física 2 Bachillerato. México. Editorial St. 2da. Edición. Ȼ Manjarrez, Jorge Eduardo (2007): Física 2. México. Editorial Santillana. Ȼ Pérez, Héctor (2008): Física II Bachillerato General. Séptima reimpresión. México. Grupo editorial Patria. Ȼ Resnick; Halliday y Walker (2007): Fundamentos de física. Sexta edición. México. Grupo editorial Patria.
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